[논문 리뷰] Implication of the ALEPH 30 GeV dimuon resonance at the LHC

Pyungwon Ko, Jinmian Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ALEPH 데이터에서 보고된 30 GeV 딤투론 공명의 영향을 조사하며, 세 가지 단순화된 모델을 제안한다: 새로운 벡터 레이저 쿼크 $B$와 결합하는 벡터 레이저 $Z'$, 힉스 포털이 있는 $U(1)'$ 게이지 모델, 그리고 직접적으로 $b\bar{b}$ 및 $\mu^+\mu^-$와 결합하는 공명. 지배적인 분해율을 맞추기는 하지만, 어떤 모델도 관측된 운동량 분포를 재현하지 못하며, 이는 초과가 레이저 붕괴에서 기인하지 않을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recent reanalysis of ALEPH data on Z -> b bar{b} + X seems to indicate an existence of the dimuon excess around 30 GeV with a branching fraction for Z -> b bar{b} mu^+ mu^- around 1.1 X 10^{-5}. In this letter, we discuss three different types of simplified models for this possible excess. In the first class of models, we assume a new resonance couples to both b bar{b} and mu^+ mu^-. Within the allowed parameter space for the ALEPH data, this type of models is excluded because of too large Drell-Yan production of dimuon from the b bar{b} collision at the LHC. In the second model, we assume that the 30 GeV excess is a new gauge boson Z' that couples to the SM b and a new vectorlike singlet B quark heavier than Z and not to b bar{b}. Then one can account for the ALEPH data without conflict with the DY constraint. The new vectorlike quark B can be pair produced at the LHC 8/13 TeV by QCD with sigma(BB) ~ O(100-1000) pb, and Bq production rate is sigma(Bq) ~ a few pb which is larger than sigma(Bb) roughly by an order of magnitude. Their signatures at the LHC would be 2b + 4mu, bj + 2mu and 2b + 2mu, respectively, which however might have been excluded already by LHC run I and II data since the multi-muon events have low SM background and are rare at the LHC. In the third model, we consider Z -> Z' phi followed by Z' -> mu^+ mu^- and phi -> b bar{b} assuming that the Higgs field for Z' mass is also charged under the SM U(1)_Y gauge symmetry. In this class of model, we could accommodate the Br(Z -> b bar{b} mu^+ mu^-) ~ 1.1 X 10^{-5} if we assume very large U(1)' charge for the U(1)' breaking Higgs field. Finally, we study various kinematic distributions of muons and b jets in all the three models, and find that none of the models we consider in this paper are not compatible with the kinematic distributions extracted from the ALEPH data.

연구 동기 및 목표

• ALEPH $Z \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$ 데이터에서 보고된 30 GeV 딤투론 공명을 분해율 $1.1 \times 10^{-5}$ 와 함께 설명하기 위해.
• LHC 제약, 특히 Drell-Yan 생성을 위반하지 않으면서도 공명을 설명할 수 있는 타당한 단순화된 모델을 탐색하기 위해.
• 제안된 모델이 ALEPH 데이터에서 관측된 운동량 분포, 예를 들어 뮤온-제트 각도 상관관계 및 $p_T$ 분포와의 호환성을 테스트하기 위해.
• 새로운 입자의 LHC 현상학적 특성 평가, 생산 단면적 및 최종 상태 서명(예: $2b+4\mu$, $bj+2\mu$)을 포함하여.

제안 방법

• 세 가지 단순화된 모델을 구성: (1) 스핀-0 또는 스핀-1 공명이 $b\bar{b}$ 및 $\mu^+\mu^-$와 결합하는 모델, (2) $b$와 새로운 벡터 레이저 $B$ 쿼크와 결합하는 $Z'$ 보손, (3) $Z\to Z'\phi\to b\bar{b}\mu^+\mu^-$를 가능하게 하는 힉스 포털이 있는 $U(1)'$ 게이지 모델.
• 파arameter 공간을 제약하기 위해 $X \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$, Drell-Yan $b\bar{b} \to X \to \mu^+\mu^-$ 및 $t \to bWX$ 과정의 현상학적 분석을 수행.
• $B$ 쿼크의 LHC에서의 생성 단면적을 계산: $\sigma(BB) \sim O(100-1000)$ pb 및 $\sigma(Bq) \sim$ 몇 pb로, 다중 뮤온 최종 상태를 생성하는 붕괴 체인 포함.
• 자발적 $U(1)'$ 대칭 깨짐에 기인한 $Z$-$Z'$-$\phi$ 정점에서 $Z \to Z'\phi \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$ 붕괴를 생성하며, 힉스 필드의 큰 $U(1)'$ 전하가 필요.
• 모든 모델의 운동량 분포(예: $\cos\theta_{\mu}^*$, 뮤온-제트 각도, 상대적 $p_T$)를 ALEPH 데이터에서 추출한 것과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $b\bar{b}$ 및 $\mu^+\mu^-$와의 결합을 갖는 새로운 공명이 LHC 제약을 위반하지 않고 ALEPH의 30 GeV 딤투론 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 새로운 벡터 레이저 쿼크 $B$와 결합하는 $Z'$ 보손이 Drell-Yan 제약을 피하면서 ALEPH 신호를 재현할 수 있는가?
• RQ3 히iggs 포털이 있는 $U(1)'$ 게이지 모델이 관측된 비율로 $Z \to Z'\phi \to b\bar{b}\mu^+\mu^-$ 붕괴를 생성하는 데 타당한가?
• RQ4 세 모델이 예측하는 운동량 분포가 ALEPH 데이터에서 관측된 각도 및 운동량 상관관계와 일치하는가?

주요 결과

• 첫 번째 모델(직접적으로 $b\bar{b}$ 및 $\mu^+\mu^-$와 결합하는 새로운 공명)은 LHC에서의 Drell-Yan 생성으로 인해 초과된 뮤온 쌍 생성으로 인해 배제된다.
• 두 번째 모델($Z'$ 보손과 새로운 벡터 레이저 $B$ 쿼크 포함)은 ALEPH 분해율을 성공적으로 재현하며, LHC에서 $\sigma(BB) \sim O(100-1000)$ pb 및 $\sigma(Bq) \sim$ 몇 pb를 예측한다.
• 세 번째 모델($U(1)'$ 게이지 대칭과 힉스 포털 기반)는 힉스 필드의 $U(1)'$ 전하가 매우 크기 때문에($\sim O(10^4)$) 분해율 $\sim 1.1 \times 10^{-5}$ 를 수용할 수 있다.
• 세 모델 모두 ALEPH 데이터에서 관측된 운동량 분포를 재현하지 못한다. 예를 들어 $\cos\theta_{\mu}^*$의 $\pm1$ 근처 피크 및 뮤온과 $b$ 제트 사이의 작은 각도.
• 모델이 예측하는 다중 뮤온 최종 상태($2b+4\mu$, $bj+2\mu$)는 표준모형 배경이 낮고 이러한 사건이 희귀하므로 LHC 런 I 및 II 데이터로 이미 배제될 가능성이 높다.
• 운동량 불일치는 30 GeV 딤투론 초과가 레이저 붕괴에서 기인하지 않을 수 있음을 시사하며, 반면에 반공명 기여(예: 반레프톤적 $b$ 붕괴)에서 기인할 수 있다.