[論文レビュー] Testing Right-Handed Currents at the LHC

Matti Heikinheimo, M. Raidal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける$eejj$および$e\nu jj$最終状態の最近のCMSの過剰反応が、質量2–2.5 TeVの右手系ゲージボソン$W_R$に起因する可能性を提案している。$W_R$は右手系ニュートリノと結合し、$e + 2j$に崩壊する。このモデルは$\mu\mu$チャンネルにおける信号の不在を説明し、6–7 TeVでの観測可能な$Z_R$共鳴、トップクォークのスピン非対称性、および$W_R$を介した単一トップ生成を予測する。LHC14でのこの現象の確認または否定のためのクロスチェックが可能である。

ABSTRACT

The CMS Collaboration has published two different searches for new physics that contain possible hints for excesses in $eejj$ and $eνjj$ final states. Interpreting those hints as a possible signal of a right-handed gauge boson $W_R$ with mass 2-2.5~TeV may have profound implications for our understanding of the gauge structure of nature and Grand Unification, the scalar sector accessible at the LHC, neutrino physics, and the baryon asymmetry of the Universe. We show that this interpretation is, indeed, consistent with all existing constraints. However, before making premature claims we propose a number of cross-checks at the LHC14 that could confirm or falsify this scenario. Those include searches for a $Z_R$ resonance and the related new scalar sector around 6-7~TeV. Additionally, large effects in top-quark spin-asymmetries in single top production are possible.

研究の動機と目的

• 最近のCMSによる$eejj$および$e\nu jj$過剰反応が、質量2–2.5 TeVの右手系ゲージボソン$W_R$の可能性として解釈されることを目的とする。
• 精密電弱データおよび$K-\bar{K}$、$B-\bar{B}$系からの既存の実験的制約と$W_R$仮説の整合性を検証すること。
• LHC14における新しい直接的実験的検証を提案し、$W_R$シナリオの確認または否定を図ること。これには$Z_R$共鳴探索とトップクォークのスピン非対称性が含まれる。
• $W_R$が左対称モデル、ニュートリノ質量生成、バリオン非対称性、およびグランドユニフィケーションに与える影響を検討すること。

提案手法

• sチャネルでの$W_R$共鳴生成による$eejj$および$e\nu jj$過剰反応のモデル化。その後、$W_R \to N_R + e$および$N_R \to e + 2j$の崩壊により、2–2.5 TeVの運動量ピークが説明される。
• $W_R$崩壊チェーン$W_R \to tb/\,tq \to \ell\nu bb/\ell\nu bq$を用いて、レプトニウム探索における$b$タギング依存性の欠如を説明する。
• $SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$対称性の破れに起因する、質量が6–7 TeV程度の中性$Z_R$ボソンの存在を予測する。その結合は$B-L$量子数に支配される。
• 単一トップ生成における$t$チャネルでの$W_R$交換を分析し、第1および第3世代間の右手系CKM混合が非無視的である場合、軽いクォーク初期状態からの断面積が増幅される可能性がある。
• 右手系トップクォーク生成に起因するトップクォークスピン非対称性を、標準模型（SM）の排他的な左手系トップ生成と対比して、右手系トップクォーク生成のプローブとして評価する。
• 既存のLHC二レプトン探索（ATLASおよびCMS）を$Z_R \to \ell^+\ell^-$に適用し、$Z_R$質量および結合定数に対する除外限界を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCで観測された$eejj$および$e\nu jj$過剰反応は、質量2–2.5 TeVの$W_R$ボソンによって一貫して説明可能か？
• RQ2 $W_R$仮説は、電弱精密観測量、$K-\bar{K}$、$B-\bar{B}$混合からの既存の制約と整合的か？
• RQ3 LHC14における$Z_R$共鳴やトップクォークのスピン非対称性といった、$W_R$シナリオの確認または否定に寄与する主要なシグネチャは何か？
• RQ4 $W_R$を介した単一トップ生成におけるプロセスは、SMの予想とどのように異なるか？特に、角度分布および断面積比において。
• RQ5 $Z_R$ボソンの期待される質量スケールと崩壊パターンは何か？そして、二レプトン最終状態でどのようにプローブ可能か？

主な発見

• 質量2–2.5 TeV、結合定数$g_R \sim 0.6g_L$の$W_R$仮説は、精密電弱データおよび$K-\bar{K}$、$B-\bar{B}$系からのすべての既存の実験的制約と整合的である。
• 質量が6–7 TeV程度の$Z_R$共鳴が予測され、主に二レプトンに崩壊するため、既存のLHC二レプトン探索で検出可能である。
• $W_R$モデルは、第1および第3世代間の右手系CKM混合が非無視的である場合、$b$クォークのPDFによる抑制を避けるために$t$チャネル寄与が顕著に増幅されることを予測する。
• 単一トップ生成におけるトップクォークのスピン非対称性は、右手系トップクォーク生成に起因してSMの期待値から逸脱する可能性があり、系誤差が少ない明確なプローブとなる。
• $\mu\mu$信号の不在は、$SU(2)_R$対称性の破れスケールが$W_R$質量の2–3倍であるため、右手系ミュオンニュートリノが運動的に到達不能であるため説明できる。
• $Z_R$ボソンの質量は、$SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$対称性の破れスケール$f$に近いと予想される。$M_{W_R} \sim 2.5$ TeVの場合、$M_{Z_R} \sim 6-7$ TeVであり、$g_{B-L}^2 \gtrsim 1$のため、混合角はほぼ最大値に近い。