[논문 리뷰] Probing for chiral $Z^\prime$ gauge boson through scattering measurement experiments

Kento Asai, Arindam Das외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 19.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 왼쪽 및 오른쪽 편극을 가진 페르미온이 $Z^\prime$에 대해 다르게 결합하는 $U(1)_X$ 확장 표준모형에서 편극성 $Z^\prime$ 게이지 보손을 조사한다. 이는 특징적인 $Z^\prime$ 매개 산란 과정을 이끈다. FASER$\nu$(2), SND@\text{LHC}, COHERENT, NA64, MUonE, BaBaR, LHCb, CMS, LEP 등의 재해석된 데이터를 사용하여 $g_X$ 및 $M_{Z^\prime}$에 대한 엄격한 제약 조건을 유도하며, 산란 및 빔드ัม프 실험들이 0.02에서 150 GeV 사이의 $Z^\prime$ 질량을 탐색함을 보여준다.

ABSTRACT

Motivated by the observation of tiny neutrino mass can not be explained within the framework of Standard Model (SM), we consider extra gauge extended scenarios in which tiny neutrino masses are generated through seesaw mechanism. These scenarios are equipped with beyond the standard model (BSM) neutral gauge boson called $Z^\prime$ in the general $U(1)_X$ symmetry which is a linear combination of $U(1)_Y$ and $U(1)_{B-L}$. In this case, left and right handed fermions interact differently with the $Z^\prime$. The $Z^\prime$ gives rise to different processes involving neutrino-nucleon, neutrino-electron, electron-nucleus and electron-muon scattering processes. By comparing with proton, electron beam-dump experiments data, recast data from searches for the long-lived and dark photon at BaBaR, LHCb and CMS experiments, the electron and muon $g-2$ data, and the data of the dilepton and dijet searches at the LEP experiment, we derive bounds on the gauge coupling and the corresponding gauge boson mass for different $U(1)_X$ charges and evaluate the prospective limits from the future beam-dump scenarios at DUNE, FASER(2) and ILC. We conclude that large parameter regions could be probed by scattering, beam-dump and collider experiments in future.

연구 동기 및 목표

• 왼쪽 및 오른쪽 편극을 가진 페르미온이 다른 $U(1)_X$ 전하를 가지는 $U(1)_X$ 확장 표준모형에서 편극성 $Z^\prime$ 게이지 보손의 현상학을 탐색하기 위해.
• $Z^\prime$ 매개 산란 과정을 사용하여 $U(1)_X$ 게이지 결합 상수 $g_X$ 및 $Z^\prime$ 질량 $M_{Z^\prime}$에 대한 제약 조건을 도출하기 위해.
• 산란, 빔드ัม프, 고에너지 충돌 실험의 기존 및 잠재적 실험적 제약 조건을 비교하여 0.02–150 GeV 범위의 $Z^\prime$에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• FASER$\nu$(2), NA64, LHCb 및 향후 ILC-BD와 같은 다양한 실험 간의 상호보완성을 평가하기 위해.
• 모든 페르미온 세대에 대해 동일한 결합을 가정할 때, $g-2$ 측정이 $Z^\prime$ 결합에 대해 얼마나 민감한지 평가하기 위해.

제안 방법

• FASER$\nu$(2), SND@$\text{LHC}$, COHERENT, NA64, MUonE 및 기타 실험의 기존 데이터를 재해석하여, $Z^\prime$ 매개 중성미자-핵자, 전자-핵, 전자-뮤온 산란 과정에 대한 $g_X$ 및 $M_{Z^\prime}$에 대한 제약 조건을 도출하기 위해.
• 왼쪽-오른쪽 대칭성을 깨뜨리는 $U(1)_X$ 대칭에서 페르미온의 전하가 비대칭인 $U(1)_X$ 모델에서 $Z^\prime$ 매개 $t$-채널 과정을 사용하기 위해.
• 게이지 및 혼합 게이지-중력 이상을 방지하기 위해 이량성 조건을 적용하며, 이는 비균일한 $U(1)_X$ 전하를 가진 세 개의 오른쪽 페르미온 중성미오를 요구한다.
• BaBaR, LHCb 및 CMS의 어둠의 광자 탐색 데이터를 재해석하여, 특히 1–150 GeV 범위에서 $g_X$ 및 $M_{Z^\prime}$에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.
• 전자 및 뮤온 실험의 $g-2$ 데이터를 분석하여, 모든 페르미온 세대에 대해 동일한 결합을 가정할 때 $Z^\prime$ 기여에 대한 제약 조건을 도출하기 위해.
• LEP의 이이온 및 이제트 검색 결과와 비교하여, 다양한 질량 및 결합 범위에서 제약 조건의 상호보완성과 강건성을 평가하기 위해.

Figure 1: Number of muon neutrino pass through the FASER $\nu$ (left panel) and SND@LHC (right panel) detectors. Thirty energy bins are defined uniformly on the logarithmic scale in [10, $10^{4}$ ] GeV.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편극성 $U(1)_X$ 전하가 $\mathcal{G}_{\rm SM} \otimes U(1)_X$ 모델에서 왼쪽 및 오른쪽 편극을 가진 페르미온에 대한 $Z^\prime$ 결합에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 0.02–150 GeV 범위에서 $Z^\prime$ 매개 산란 과정에 대해 $g_X$ 및 $M_{Z^\prime}$에 대한 가장 강력한 실험적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 NA64, E141 및 DUNE와 같은 빔드ัม프 실험은 FASER$\nu$(2) 및 JSNS2와 같은 산란 실험에 비해 $Z^\prime$에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ4 페르미온 결합이 세대 간에 독립적일 경우, $g-2$ 측정이 $Z^\prime$ 결합을 제약하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 미래의 실험들인 FASER$\nu$(2), ILC-BD 또는 DUNE 중에서 어떤 것이 경량 $Z^\prime$ 보손에 대해 가장 유망한 민감도를 제공하는가?

주요 결과

• 산란 실험들인 FASER$\nu$(2), SND@$\text{LHC}$ 및 JSNS2는 0.02–0.2 GeV 범위의 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있으며, $M_{Z^\prime} \leq 0.04$ GeV일 경우 $g_X \sim 10^{-6}$ 수준의 민감도를 확보한다.
• LHCb의 어둠의 광자 탐색은 $M_{Z^\prime} \geq 0.21$ GeV에 대해 엄격한 제약 조건을 제공하며, 0.21–70 GeV 범위에서 $g_X \in [3.5 \times 10^{-6}, 10^{-4}]$이며, $M_{Z^\prime} \approx 10$ GeV 근처에서는 더욱 강력한 제약 조건을 제공한다.
• BaBaR 및 CMS의 어둠의 광자 탐색에서 유도된 제약 조건은 $M_{Z^\prime} \approx 1$ GeV 및 $3$ GeV 근처에서 가장 강력하며, 좁은 창구에서 $g_X \lesssim 10^{-5}$이다.
• 전자 및 뮤온 실험의 $g-2$ 데이터는 모델에서 페르미온 간의 결합이 동일하므로, 산란 및 빔드ัม프 실험보다 약한 제약 조건을 제공한다.
• 미래의 빔드ัม프 실험, FASER$\nu$(2), ILC-BD 및 DUNE는 $M_{Z^\prime} \leq 0.04$ GeV일 경우 $g_X \sim 10^{-6}$ 수준의 민감도를 기대할 수 있으며, $x_H$에 따라 JSNS2의 제약 조건가 미래 민감도를 초월할 수 있다.
• 기존의 빔드ัม프 실험들(예: $\nu$-cal, E137, NA64)은 $M_{Z^\prime} \leq 0.08$ GeV일 경우 $g_X \in [10^{-6}, 0.01]$를 배제한다. DUNE은 이 질량 범위에서 더 약한 제약 조건을 제공한다.

Figure 2: The neutrino-proton scattering cross section $\sigma_{\nu p}$ divided by the incoming neutrino energy $E_{\nu}$ . The gauge coupling $g_{X}$ is set to the unity.