[論文レビュー] Signals of a 2 TeV $W'$ boson and a heavier $Z'$ boson

Bogdan A. Dobrescu, Patrick J. Fox|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、$SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ モデルを提案し、最小限のヒッグスセクター（バイダブルットと右手系ダブルット）とディラック型右手系ニュートリノセクターを導入することで、CMSおよびATLASのRun 1における $e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$、$WZ$ チャネルの過剰反応を説明する。$W'$ ボソンは1.9 TeVに位置し、$g_R \approx 0.4$–0.5 であると特定され、13 TeV LHCで700–900 fbの生成断面積を予測し、17個以上の検出可能な最終状態を有する。一方、$Z'$ ボソンはより重く、3.4–4.5 TeVの範囲に位置し、Run 2で複数の崩壊チャネルが検出可能であると予測される。

ABSTRACT

We construct an $SU(2)_L imes SU(2)_R imes U(1)_{B-L}$ model with a Higgs sector that consists of a bidoublet and a doublet, and with a right-handed neutrino sector that includes one Dirac fermion and one Majorana fermion. This model explains the Run 1 CMS and ATLAS excess events in the $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$ and $WZ$ channels in terms of a $W'$ boson of mass near 1.9 TeV and of coupling $g_R$ in the 0.4--0.5 range, with the lower half preferred by limits on $t \bar b$ resonances and Run 2 results. The production cross section of this $W'$ boson at the 13 TeV LHC is in the 700--900 fb range, allowing sensitivity in more than 17 final states. We determine that the $Z'$ boson has a mass in the 3.4--4.5 TeV range and several decay channels that can be probed in Run 2 of the LHC, including cascade decays via heavy Higgs bosons.

研究の動機と目的

• CMSおよびATLASのRun 1における $e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$、$WZ$ 最終状態の過剰反応を説明すること。
• バイダブルットと $SU(2)_R$ ダブルットヒッグスセクターを有する最小限の $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ モデルを構築し、$W'$ および $Z'$ ボソンを収容すること。
• $e^+e^-jj$ 過剰反応を説明しつつ、$e^+e^+jj$ シグナルを抑えるために、電子およびタウの右手系ニュートリノからなるディラックフェルミオンを導入すること。
• LHC Run 2における感度を考慮し、$W'$ および $Z'$ の生成断面積と分支比を決定すること。
• 複数の $W'$ および $Z'$ 崩壊チャネルのシミュレーションを支援するため、MadGraphモデルファイルを提供すること。

提案手法

• フェルミオン、ゲージボソン、およびバイダブルット $\Sigma$ と $SU(2)_R$ ダブルット $H_R$ からなるヒッグスセクターを有する $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ ゲージ理論を構築する。
• $H_R$ の真空期待値（VEV）を用いて $W'$ および $Z'$ ボソンの質量を生成し、$M_{W'} \approx 1.9$ TeV とする。
• 電子およびタウの右手系ニュートリノをディラックフェルミオンに束ねるためのグローバル対称性を導入し、$e^+e^+jj$ シグナルの抑制を実現する。
• $g_R \approx 0.4$–0.5 を用いて13 TeVでの $W'$ の幅および生成断面積を計算し、700–900 fbの範囲に達する。
• モンテカルロ法を用いて $W'$ の $eN_D$、$jj$、$WZ$、$Wh^0$、$Z^0h^0$ への崩壊をシミュレートする。
• $M_{Z'} \approx 3.4$–4.5 TeV の条件下で、重ヒッグスボソンによるカスケード崩壊を含む $Z'$ の分支比および崩壊チャネルを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.9 TeVの$W'$ボソンと$g_R \approx 0.4$–0.5が、$e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$、$WZ$ 最終状態におけるCMSおよびATLASのRun 1の過剰反応を説明できるか？
• RQ2 電子および$\tau^+$の右手系ニュートリノからなるディラック型右手系ニュートリノの導入により、$e^+e^+jj$ シグナルはどのように抑制され、$e^+e^-jj$ 過剰反応はどのように維持されるか？
• RQ3 13 TeV LHCにおける$W'$ボソンの生成断面積はどの程度で、何個の異なる最終状態が発見可能か？
• RQ4 3.4–4.5 TeVの範囲にある質量を持つ$Z'$ボソンの分支比および検出可能な崩壊チャネルは何か？
• RQ5 モデルの予測は複数の最終状態で検証可能か？また、シグナル間のクロスコンタミネーションは発見可能性にどのように影響するか？

主な発見

• $W'$ ボソンの質量は $M_{W'} \approx 1.9$ TeV に制限され、CMSのダイジェットおよび $Wh^0$ 過剰反応と整合的である。
• $W'$ の結合定数 $g_R \approx 0.4$–0.5 が好ましく、下限側が $t\bar{b}$ 共鳴限界およびRun 2データによって支持される。
• 13 TeV LHCにおける $W'$ の生成断面積は700–900 fbの範囲に予測され、17個以上の最終状態で感度が得られる。
• $Z'$ ボソンの質量は3.4–4.5 TeVの範囲に予測され、現在のLHCの制限と整合的である。
• $W'$ が $eN_D$ に崩壊し、$N_D$ が $ejj$、$etb$、$eW$、$\tau jj$ モードに崩壊することで、1%以上の分支比を持つ17個以上の異なる最終状態が得られる。
• $Z'$ ボソンは9つの主要なチャネルで大きな分支比を示し、より高い質量では追加のモードも検出可能であり、Run 2で検出可能である。