[論文レビュー] The Z' boson of the minimal B-L model at future Linear Colliders in e+e- --> mu+mu-

L. Basso, A. Belyaev+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、将来の電子・陽電子線形衝突機（LCs）が、e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻過程を通じて最小限のB−LモデルにおけるZ′ボソンの発見可能性を調査する。LCsは、高い精度と干渉効果のおかげで、LHCよりも軽いZ′ボソン（M_Z′ < 2 TeV）を検出可能であり、LHCと比較してカップリングが8倍小さいZ′の発見が可能である。また、運動的領域外であっても線形形状解析によりZ′質量の間接的感度を最大10 TeVまで拡大できる。

ABSTRACT

We study the capabilities of future electron-positron Linear Colliders, with centre-of-mass energy at the TeV scale, in accessing the parameter space of a $Z'$ boson within the minimal $B-L$ model. We carry out a detailed comparison between the discovery regions mapped over a two-dimensional configuration space ($Z'$ mass and coupling) at the Large Hadron Collider and possible future Linear Colliders for the case of di-muon production. As known in the literature for other $Z'$ models, we confirm that leptonic machines, as compared to the CERN hadronic accelerator, display an additional potential in discovering a $Z'$ boson as well as in allowing one to study its properties at a level of precision well beyond that of any of the existing colliders.

研究の動機と目的

• 将来の線形衝突機（LCs）における最小限のB−LモデルのZ′ボソンの発見可能性を評価すること。
• e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻チャンネルにおいて、LCのZ′ボソンに対する感度をLHCと比較すること。
• 運動的領域外にある場合の干渉効果がZ′ボソン検出に果たす役割を評価すること。
• LHCのデータに依存せずに、LCsにおける線形形状フィッティングからZ′カップリングg′₁を直接測定可能かどうかを検討すること。
• 固定エネルギーおよびエネルギー走査モードの下でのLCsのZ′パラメータ空間（質量とカップリング）への到達可能性を特定すること。

提案手法

• 異常キャンセレーションとゲージ不変性を保証するため、U(1)_B−Lゲージ群、右手型ニュートリノ3個、複素スカラー単一状態を含む最小限のB−Lモデルを採用する。
• 中心エネルギーエネルギーが3 TeV（固定エネルギー）およびM_Z′ + 10 GeV（エネルギー走査）の将来のLCsにおけるe⁺e⁻ → μ⁺μ⁻過程を分析し、それぞれ500 fb⁻¹および10 fb⁻¹/ステップの光度を仮定する。
• 信号およびバックグラウンドのイベントレートは、検出器の受容領域内に計算され、CMSおよびILCプロトタイプのエネルギー分解能、または3Γ_Z′のうち大きい方の不変質量ウィンドウが定義される。
• 発見の有意性はσ = s/√bにより評価され、発見閾値はσ ≥ 5に設定される。
• 共振状態生成が運動的に禁止される√s < M_Z′の場合、Z′と標準模型の振幅（Zおよび光子交換）の干渉効果を分析する。
• カップリングg′₁は、断面積の線形形状フィッティングから抽出され、Z′幅の変動を考慮してそのg′₁依存性が独立して評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の線形衝突機は、LHCよりも小さなカップリングを持つ最小限のB−LモデルのZ′ボソンを発見可能か？
• RQ2 M_Z′ > 800 GeVの場合、LCのM_Z′–g′₁平面における発見到達可能性はLHCと比べてどの程度異なるか？
• RQ3 e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻過程における干渉効果が、LCの運動的閾値を超えたZ′ボソンの間接的検出にどの程度寄与するか？
• RQ4 LHCのデータに依存せずに、LCsにおける線形形状解析からZ′カップリングg′₁を直接測定可能か？
• RQ5 与えられたg′₁に対して、LCsにおける間接的感度がどの程度のZ′質量まで到達可能か？また、LHCの到達可能性と比較するとどうか？

主な発見

• M_Z′ = 1 TeVの場合、LHCはg′₁ ≥ 0.0071のときのみZ′を発見可能であるが、3 TeVのLCではg′₁ ≥ 0.0050、エネルギー走査LCではg′₁ ≥ 0.0026で検出可能である。
• M_Z′ = 2 TeVの場合、LCの到達範囲はg′₁ ≈ 0.0028まで拡大され、これはLHCの最小検出カップリング0.018の8分の1に相当する。
• エネルギー走査モードでは、特にM_Z′ < 1.75 TeVの場合、固定エネルギー運転に比べてM_Z′–g′₁パラメータ空間の探索がさらに進む。
• √s < M_Z′であっても、二ミュオン線形形状における干渉効果が標準模型の予測から顕著にずれを生じさせ、重いZ′ボソンの間接的検出を可能にする。
• √s = 3 TeVのCLIC型LCは、g′₁ = 0.1の場合、Z′質量を最大10 TeVまで間接的にプローブ可能であるが、LHCは同じカップリング条件下でM_Z′ < 4 TeVまでに制限される。
• 干渉効果がZ′幅Γ_Z′に与える依存性は無視できるほど小さいため、M_Z′が中心エネルギーエネルギーを超えていても、g′₁はLCsにおける線形形状フィッティングから信頼性高く抽出可能である。