[논문 리뷰] Dijet and electroweak limits on a $Z'$ boson coupled to quarks

Bogdan A. Dobrescu, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 53인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5 GeV에서 5 TeV까지의 질량 범위에서 바리온 수 대칭을 통해 쿼크에 결합하는 $Z'$ 보손에 대한 업데이트된 LHC 이중제트 잔여 한계와 전자약력 정밀도 제약 조건을 제시한다. 이는 5 GeV에서 5 TeV까지의 결합-질량 평면 분석을 확장한 것이다. 논문은 비정상자 질량을 포함한 고리 보정을 통해 $Z'_B$와 표준모형 $Z$/$\gamma$ 보손 간의 운동량 혼합을 계산하고, 전자약력 정밀도, $\Upsilon$ 붕괴 및 LEP 데이터로부터 낮은 질량 범위의 엄격한 제약 조건을 도출한다. 그 결과, $M_{Z'} \lesssim 1$ TeV일 경우 $Z'_B$ 결합 상수가 $g_B \lesssim 0.1$ 이하로 제약됨을 보여준다.

ABSTRACT

An insightful way of presenting the LHC limits on dijet resonances is the coupling-mass plot for a $Z'$ boson that has flavor-independent quark interactions. This also illustrates the comparison of low-mass LHC sensitivity with constraints on the flavor-independent $Z'$ boson from electroweak and quarkonium measurements. To derive these constraints, we compute the $Z'$ mixing with the $Z$, the photon, and the $Υ$ meson, emphasizing the logarithmic dependence on the masses of the new electroweak-charged fermions (``anomalons") required to cancel the gauge anomalies. We update the coupling-mass plot, extending it for $Z'$ masses from 5 GeV to 5 TeV.

연구 동기 및 목표

• 5 GeV에서 5 TeV까지의 질량 범위에서 쿼크에 결합하는 플레버 대각선, 질량에 의존하지 않는 상호작용을 가진 $Z'$ 보손의 결합-질량 평면 제약 조건을 업데이트하고 확장하는 것.
• 최소한의 $U(1)_B$ 모형에서 비정상자 장을 포함한 고리 보정을 통해 $Z'_B$와 SM $Z$/$\gamma$ 보손 간의 운동량 혼합을 계산하는 것.
• LHC 이중제트 잔여 탐색 결과, 전자약력 정밀도, $\Upsilon$ 메손 붕괴 및 LEP 제약 조건을 통합하여 $Z'_B$ 결합 상수에 대한 종합적인 제약 조건을 도출하는 것.
• 특히 $M_{Z'} < M_Z$ 조건에서, 비정상자 질량이 $Z'_B$와 $Z$ 및 광자 간 혼합을 매개하는 역할을 하는 방식을 정량화하는 것.
• 미래의 충돌기 탐색을 위한 벤치마크를 제공하기 위해 $Z'_B$ 매개변수 공간 내 민감도 격차와 현상학적 제약 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 바리온 수에 비례하는 균일한 결합(1/3)을 가진 왼쪽 및 오른쪽 쿼크에 대해 $Z'_B$ 라그랑지안을 구성함으로써, 렙토포비아 성질을 보장한다.
• NLO QCD 수준에서 $Z'_B$ 생성 및 붕괴 너비를 계산하고, 질량에 따라 주로 $jj$ 또는 $t\bar{t}$ 붕괴 모드로 붕괴됨을 확인한다.
• 비정상자 장을 포함한 편미분 루프 도형을 사용하여, 차원 정규화와 $\overline{\text{MS}}$ 체계를 적용해 $Z'_B$와 SM $Z$/$\gamma$ 보손 간의 운동량 혼합 $\kappa_Z$ 를 평가한다.
• 유한한 혼합 계수 $\kappa_Z \propto \sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$ 를 유도하며, 여기서 $\mathcal{F}$ 는 루프 운동량과 질량 의존성을 포함한다.
• 전자약력 정밀도 관측량, $\Upsilon$ 메손 붕괴($\Upsilon \to Z'_B \gamma$), 직접적인 $q\bar{q}$ 잔여 탐색 및 충전 비정상자에 대한 LEP 제약 조건을 적용한다.
• 발산을 제거하고 혼합 진폭의 유한성을 확보하기 위해 $\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) = 0$ 조건을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5 GeV에서 5 TeV까지의 전체 질량 범위에서 LHC 이중제트 잔여 탐색 결과에 의한 $Z'_B$ 보손에 대한 업데이트된 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 UV 완성에서 비정상자 장의 질량이 $Z'_B$ 와 SM $Z$/$\gamma$ 보손 간의 운동량 혼합에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 낮은 $M_{Z'}$ 조건에서 전자약력 정밀도 측정, $\Upsilon$ 붕괴 및 LEP 데이터로부터 $Z'_B$ 결합 상수에 대한 가장 강력한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 QCD 이중제트 탐색, $Z'_B$ 매개 $Z \to Z'_B \gamma$ 붕괴 및 $t\bar{t}$ 임계값 간의 상호작용이 允許된 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 낮은 질량의 $Z'_B$ 모델에서의 제약 조건이 고질량 이중제트 탐색 결과를 초월하거나 보완하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 5 TeV까지 확장된 $Z'_B$ 결합-질량 평면이 업데이트되었으며, 약 1 TeV 이상일 경우 LHC 이중제트 탐색 결과가 주요 감도 기여를 한다.
• $M_{Z'} \lesssim 1$ TeV일 경우 전자약력 정밀도 제약 조건과 $\Upsilon$ 메손 붕괴 결과가 이중제트 탐색 결과보다 더 강력한 제약 조건을 제공하며, $M_{Z'} \sim 1$ TeV에서 $g_B \lesssim 0.1$ 이하로 제약됨을 보여준다.
• 운동량 혼합 $\kappa_Z$ 는 유한하며 $\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$ 에 비례하며, $\mathcal{F}$ 는 루프 운동량과 질량 의존성을 포함한다.
• $\Upsilon \to Z'_B \gamma$ 붕괴 모드는 $M_{Z'} \lesssim M_\Upsilon$ 조건에서 특히 강력한 제약 조건을 제공하며, $Z'_B$ 가 $Z$ 보손보다 가벼울 경우 더욱 두드러진다.
• 충전 비정상자에 대한 LEP 제약 조건과 $Z \to Z'_B \gamma$ 이국적 붕괴 결과는 특히 5–100 GeV 질량 범위에서 $Z'_B$ 결합 상수를 추가로 제약한다.
• UV 완성에서 비정상자 질량이 $M_{Z'}/2$ 이하인 최소한의 $Z'_B$ 모형은 상당한 혼합 효과를 유도하며, 이는 낮은 질량의 $Z'_B$ 현상학이 UV 완성의 세부 사항에 매우 민감함을 시사한다.