[논문 리뷰] Light Z' Bosons at the Tevatron

Matthew R. Buckley, Dan Hooper외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서 관측된 세 가지 이상 현상에 대한 통합적 설명으로, 약 140–150 GeV의 질량을 지닌 경량이자 렙톤을 기피하는 Z′ 보손을 제안한다. 이 모형은 쿼크, 특히 b-쿼크와 탑 쿼크에 강화된 결합을 통해, W+2 제트에서의 3.2σ 초과, 다중 b-제트 끝상태에서의 2σ 초과, 탑 쿼크 쌍 생성에서의 3.4σ 전방-후방 비대칭성을 동시에 설명한다. 모형은 가벼운 쿼크에 대한 약한 결합(gqqZ′ ≈ 0.1–0.3), b-쿼크에 대한 큰 결합(gbbZ′ ≈ 0.7–0.9), 그리고 탑 쿼크에 대한 flavor 위반 결합(gutZ′ ≈ 0.3–0.8)을 통해 이러한 신호들을 설명하며, 직접 탐지 및 잔류 밀도 관측과 일치하는 검출 가능한 암흑물질 산란 단면적과 붕괴율을 예측한다.

ABSTRACT

New gauge bosons with Standard Model-like couplings to leptons are constrained by collider searches to be heavier than approximately ~1 TeV. A Z' boson with suppressed couplings to leptons, however, could be much lighter and possess substantial couplings to Standard Model quarks. In this article, we consider a new leptophobic Z' gauge boson as a simple and well motivated extension of the Standard Model, and discuss several of its possible signatures at the Tevatron. We find that three of the recent anomalies reported from the Tevatron - in particular the top-quark forward-backward asymmetry and excesses in the 3b and W + 2 jets final states - could be explained by a new Z' with a mass of approximately 150 GeV, relatively large couplings to quarks, and suppressed couplings to electrons and muons. Moreover, we find that such a particle could also mediate the interactions of dark matter, leading to potentially interesting implications for direct detection experiments.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 관측된 세 가지 이상 신호를 설명하기 위해: W+2 제트에서의 3.2σ 초과, 다중 b-제트 끝상태에서의 2σ 초과, 탑 쿼크 쌍 생성에서의 3.4σ 전방-후방 비대칭성.
• 전자와 뮤온에 대한 결합이 억제된 경량 Z′ 보손의 가능성 탐색 — 질량이 1 TeV 이하이지만 표준 LEP 및 테바트론 제약 조건을 회피할 수 있도록 함.
• 특정 쿼크 결합을 가진 단일 Z′ 보손이 여러 독립된 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는지 조사하기.
• 이러한 Z′ 이 암흑물질 물리학에 미치는 영향을 조사하며, 특히 CoGeNT 및 DAMA/LIBRA의 직접 탐지 신호를 설명하고 열적 동결-아웃을 통한 정확한 잔류 밀도를 달성하는 데 기여하는지 검토하기.

제안 방법

• 전자와 뮤온에 대한 결합이 억제된(그리고 gllZ′ < 0.04) 렙톤을 기피하는 Z′ 모형을 구축하며, 특히 쿼크, 특히 b-쿼크와 탑 쿼크에 대해 강화된 결합을 통해 렙톤 기반의 콜라이더 제약 조건을 피한다.
• 효과적 장 이론과 1차원 피카르 다이어그램을 사용하여 Z′의 생성 및 붕괴 확률을 계산하며, q̄q → Z′* → q′q̄′, Z′ → bb̄, Z′ → ut̄/tū 등의 과정을 고려한다.
• 관측된 140–150 GeV 부근의 피크와 초과 비율을 이용해 W+2 제트 및 다중 b-제트 끝상태의 진동 질량 분포에 대해 Z′ 질량과 결합 상수를 피팅한다.
• 탑 쿼크 전방-후방 비대칭성을 모형화하기 위해, 450 GeV 이상의 t̄t 진동 질량에서 관측된 3.4σ의 편향을 설명하기 위해 g̃utZ′를 이용한 flavor 위반 결합을 도입한다.
• 암흑물질이 스칼라 또는 디랙 페르미온이며, gDMZ′ ~ 0.1 정도의 결합을 가진다고 가정하여 Z′를 매개체로 하여 암흑물질 산란 단면적과 붕괴율을 계산한다.
• CoGeNT, DAMA/LIBRA의 실험 데이터 및 관측된 암흑물질 잔류 밀도와 비교하여 예측된 암흑물질 단면적(σ ~ 2×10⁻⁴⁰ cm²)과 붕괴율(σv ~ 2×10⁻²⁶ cm³/s)을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자에 대한 결합이 억제된 단일 경량 Z′ 보손이 테바트론에서 관측된 세 가지 독립된 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 W+2 제트, 다중 b-제트, 탑 쿼크 전방-후방 비대칭성 초과 현상을 동시에 설명하기 위해 필요한 Z′의 질량과 쿼크 결합 상수는 무엇인가?
• RQ3 렙톤을 기피하는 Z′의 존재가 암흑물질 직접 탐지 및 잔류 밀도 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LEP 및 테바트론 데이터는 전자에 대한 결합이 억제되고 쿼크에 대한 결합이 큰 Z′에 대해 어떤 제약 조건을 가하는가?
• RQ5 450 GeV 이상의 진동 질량에서 관측된 탑 쿼크 전방-후방 비대칭성이 탑 쿼크에 대한 flavor 위반 결합을 포함하는 Z′ 모형과 일치하는가?

주요 결과

• 질량이 약 140–150 GeV이고, 가벼운 쿼크에 대한 결합 상수가 gqqZ′ ≈ 0.1–0.3인 Z′ 보손은 W+2 제트 끝상태에서의 3.2σ 초과를 설명할 수 있으며, 이는 140–150 GeV 부근의 이중 제트 진동 질량 분포에서 피크를 형성한다.
• 동일한 Z′ 보손이 b-쿼크에 대해 강화된 결합(gbbZ′ ≈ 0.7–0.9)을 가지며, 다중 b-제트 끝상태에서의 2σ 초과를 설명할 수 있고, 이는 많은 이중 제트가 b-제트임을 예측한다.
• 질량이 120–280 GeV이고 탑 쿼크에 대해 flavor 위반 결합(gutZ′ ≈ 0.3–0.8)을 가지는 Z′ 보손은 고 t̄t 진동 질량에서 관측된 3.4σ 전방-후방 비대칭성을 설명할 수 있다.
• 이 모형은 gDMZ′ ~ 0.1인 경우 암흑물질-핵자 탄성 산란 단면적을 σ ≈ 2×10⁻⁴⁰ cm²로 예측하며, CoGeNT 및 DAMA/LIBRA에서 보고된 신호와 일치한다.
• 동일한 Z′ 모형은 암흑물질 붕괴 단면적을 σv ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/s로 예측하며, 천문학적으로 요구되는 열적 잔류 밀도와 일치한다.
• 세 가지 이상 현상은 질량이 약 140–150 GeV, b-쿼크에 대한 큰 결합, 그리고 탑 쿼크에 대한 중간에서 큰 결합을 가진 단일 Z′ 보손으로 동시에 설명될 수 있으며, 추가적인 새로운 입자를 요구하지 않는다.