[논문 리뷰] Signals of a 2 TeV $W'$ boson and a heavier $Z'$ boson

Bogdan A. Dobrescu, Patrick J. Fox|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 모델을 제안하며, 최소한의 힉스 세터(이중편, 오른쪽 수체 이중편)와 디랙형 오른쪽 수중성자 세터를 포함하여 CMS와 ATLAS의 LHC 런 1에서 관측된 $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$, $WZ$ 채널의 초과 현상을 설명한다. $W'$ 보손은 1.9 TeV에서 발견되며, $g_R \approx 0.4$–0.5로 추정되며, 13 TeV LHC에서 700–900 fb의 생성 단면적을 예측하고, 17개 이상의 탐지 가능한 최종 상태를 제공한다. 반면 $Z'$ 보손은 더 무겁고, 3.4–4.5 TeV 범위에 위치하며, 런 2에서 여러 붕괴 채널을 통해 탐지 가능하다.

ABSTRACT

We construct an $SU(2)_L imes SU(2)_R imes U(1)_{B-L}$ model with a Higgs sector that consists of a bidoublet and a doublet, and with a right-handed neutrino sector that includes one Dirac fermion and one Majorana fermion. This model explains the Run 1 CMS and ATLAS excess events in the $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$ and $WZ$ channels in terms of a $W'$ boson of mass near 1.9 TeV and of coupling $g_R$ in the 0.4--0.5 range, with the lower half preferred by limits on $t \bar b$ resonances and Run 2 results. The production cross section of this $W'$ boson at the 13 TeV LHC is in the 700--900 fb range, allowing sensitivity in more than 17 final states. We determine that the $Z'$ boson has a mass in the 3.4--4.5 TeV range and several decay channels that can be probed in Run 2 of the LHC, including cascade decays via heavy Higgs bosons.

연구 동기 및 목표

• CMS와 ATLAS의 LHC 런 1에서 관측된 $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$, $WZ$ 최종 상태의 초과 현상을 설명한다.
• $W'$와 $Z'$ 보손을 수용하기 위해 이중편과 $SU(2)_R$ 이중편 힉스 세터를 포함한 최소한의 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 모델을 구축한다.
• 전자와 타우 오른쪽 수중성자로부터 디랙 페르미온을 도입하여 $e^+e^+jj$ 신호를 억제하면서도 $e^+e^-jj$ 초과 현상을 유지한다.
• LHC 런 2 감도를 고려해 $W'$와 $Z'$의 생성 단면적 및 분해율을 결정한다.
• 다양한 $W'$와 $Z'$ 붕괴 채널의 시뮬레이션을 돕기 위해 마드그라프 모델 파일을 제공한다.

제안 방법

• 이중편 $\Sigma$와 $SU(2)_R$ 이중편 $H_R$로 구성된 힉스 세터를 포함한 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 게이지 이론을 구축한다.
• $H_R$의 진공 기대값(VEV)을 이용해 $W'$와 $Z'$ 보손의 질량을 생성하며, $M_{W'} \approx 1.9$ TeV로 추정된다.
• 전자와 타우 오른쪽 수중성자를 하나의 디랙 페르미온으로 묶는 전역 대칭성을 도입하여 $e^+e^+jj$ 신호를 억제한다.
• $g_R \approx 0.4$–0.5를 사용해 13 TeV에서 $W'$의 너비와 생성 단면적을 계산하여 700–900 fb의 결과를 도출한다.
• 몬테카를로 방법을 사용해 $W'$가 $eN_D$, $jj$, $WZ$, $Wh^0$, $Z^0h^0$로 붕괴하는 것을 시뮬레이션한다.
• $M_{Z'} \approx 3.4$–4.5 TeV 범위에서 $Z'$의 분해율과 붕괴 채널을 유도하며, 무거운 힉스 보손을 통한 계단식 붕괴도 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.9 TeV에서 $g_R \approx 0.4$–0.5인 $W'$ 보손이 CMS와 ATLAS의 LHC 런 1 초과 현상인 $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$, $WZ$ 최종 상태를 설명할 수 있는가?
• RQ2 전자와 $\tau^+$ 오른쪽 수중성자로부터 유도된 디랙형 오른쪽 수중성자 도입이 $e^+e^+jj$ 신호를 억제하면서도 $e^+e^-jj$ 초과 현상을 유지하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 13 TeV LHC에서 $W'$ 보손의 생성 단면적은 얼마이며, 얼마나 많은 고유한 최종 상태가 발견 가능할 수 있는가?
• RQ4 3.4–4.5 TeV 범위의 질량을 가진 $Z'$ 보손의 분해율과 탐지 가능한 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ5 이 모델의 예측은 다수의 최종 상태에서 검증 가능하며, 신호 간의 교차 오염은 발견 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• $W'$ 보손의 질량은 $M_{W'} \approx 1.9$ TeV로 제약되며, CMS의 디제트 및 $Wh^0$ 초과 현상과 일치한다.
• $W'$ 결합 상수 $g_R \approx 0.4$–0.5가 유리하며, 이 중 하한부는 $t\bar{b}$ 공명 한계와 런 2 데이터에 의해 지지된다.
• 13 TeV LHC에서 $W'$ 생성 단면적은 700–900 fb 범위로 예측되며, 이는 17개 이상의 최종 상태에서 감도 확보를 가능하게 한다.
• $Z'$ 보손의 질량은 3.4–4.5 TeV 범위로 예측되며, 현재의 LHC 한계와 일치한다.
• $W'$는 $eN_D$로 붕괴하고, $N_D$는 $ejj$, $etb$, $eW$, $\tau jj$ 모드로 붕괴하여 분해율이 1% 이상인 17개 이상의 고유한 최종 상태를 생성한다.
• $Z'$ 보손은 9개의 주요 채널에서 큰 분해율을 가지며, 더 높은 질량에서는 추가적인 모드도 탐지 가능하여 런 2에서 탐지 가능하다.