[논문 리뷰] Testing Right-Handed Currents at the LHC

Matti Heikinheimo, M. Raidal외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 최근 관측된 $eejj$ 및 $e\nu jj$ 최종 상태에서의 초과 현상이 질량 2–2.5 TeV인 오른쪽 수체 게이지 보손 $W_R$에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 보손은 오른쪽 수체 중성자와 결합하여 $e + 2j$로 붕괴한다. 이 모형은 $\mu\mu$ 채널에서 신호가 관측되지 않는 이유를 설명하며, LHC14에서 관측 가능한 $Z_R$ 공명, 탑 쿼크 스핀 비대칭, $W_R$를 통해 매개되는 단일 탑 생성을 예측하여, 이 시나리오를 확인하거나 배제할 수 있는 교차 확인 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The CMS Collaboration has published two different searches for new physics that contain possible hints for excesses in $eejj$ and $eνjj$ final states. Interpreting those hints as a possible signal of a right-handed gauge boson $W_R$ with mass 2-2.5~TeV may have profound implications for our understanding of the gauge structure of nature and Grand Unification, the scalar sector accessible at the LHC, neutrino physics, and the baryon asymmetry of the Universe. We show that this interpretation is, indeed, consistent with all existing constraints. However, before making premature claims we propose a number of cross-checks at the LHC14 that could confirm or falsify this scenario. Those include searches for a $Z_R$ resonance and the related new scalar sector around 6-7~TeV. Additionally, large effects in top-quark spin-asymmetries in single top production are possible.

연구 동기 및 목표

• 최근 CMS의 $eejj$ 및 $e\\nu jj$ 초과 현상을 질량 2–2.5 TeV인 오른쪽 수체 게이지 보손 $W_R$의 잠재적 신호로 해석하기.
• 정밀 전자약 상호작용 데이터 및 $K-\bar{K}$, $B-\bar{B}$ 시스템에서의 기존 실험 제약 조건과 $W_R$ 가설의 일관성 테스트하기.
• LHC14에서의 새로운 직접 실험적 검증 방법 제안: $Z_R$ 공명 탐색 및 탑 쿼크 스핀 비대칭 측정을 통한 $W_R$ 시나리오의 확인 또는 기각.
• 왼쪽-오른쪽 대칭 모형, 중성자 질량 생성, 양성자 비대칭, 그리고 대통합 이론에 대한 $W_R$의 영향 탐구하기.

제안 방법

• $eejj$ 및 $e\nu jj$ 초과 현상을 $W_R$ 공명 생성의 s-채널 모델링으로 설명하고, 붕괴 $W_R \to N_R + e$ 및 $N_R \to e + 2j$를 통해 2–2.5 TeV에서의 운동량 피크를 설명한다.
• $W_R$ 붕괴 체인 $W_R \to tb/\,tq \to \ell\nu bb/\ell\nu bq$를 통해 렙토쿠워크 탐색에서 $b$-태깅 의존성 부재를 설명한다.
• $SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 대칭의 붕괴로 기인하는 질량이 6–7 TeV 정도인 중성 $Z_R$ 보손 존재를 예측하며, 이는 $B-L$ 양자수에 의해 지배되는 결합을 가진다.
• 단일 탑 생성에서 $t$-채널 $W_R$ 교환 분석을 통해 제1 및 제3 쿼크 세대 간 오른쪽 수체 CKM 혼합이 유의미할 경우, 빛 쿼크 초기 상태에서의 단면적 증가가 가능하다는 것을 밝힌다.
• 오른쪽 수체 탑 쿼크 생성으로 인한 스핀 비대칭이 발생할 수 있음을 고려하여, 표준모형의 오직 왼쪽 수체 탑 쿼크 생성과 대비되는 탑 쿼크 스핀 비대칭을 탐지 가능한 지표로 활용한다.
• 기존 LHC 이론 레프톤 탐색 결과(ATLAS 및 CMS)를 활용하여 $Z_R \to \ell^+\ell^-$에 대해 $Z_R$ 질량 및 결합 상수의 배제 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 관측된 $eejj$ 및 $e\nu jj$ 초과 현상이 질량 2–2.5 TeV인 $W_R$ 보손으로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 $W_R$ 가설이 전자약 정밀 관측, $K-\bar{K}$ 및 $B-\bar{B}$ 혼합에서의 기존 제약 조건과 호환되는가?
• RQ3 LHC14에서 $W_R$ 시나리오를 확인하거나 배제할 수 있는 주요 서명은 무엇인가? 예를 들어 $Z_R$ 공명 또는 탑 쿼크 스핀 비대칭.
• RQ4 $W_R$ 매개 과정에서의 단일 탑 생성은 표준모형 예측과 어떻게 다를 수 있는가? 특히 각도 분포 및 단면적 비율 측면에서.
• RQ5 $Z_R$ 보손의 기대 질량 척도와 붕괴 패턴은 무엇이며, 이는 어떻게 이론 레프톤 최종 상태에서 탐지될 수 있는가?

주요 결과

• 질량 2–2.5 TeV, 결합 강도 $g_R \sim 0.6g_L$인 $W_R$ 가설은 정밀 전자약 상호작용 데이터 및 $K-\bar{K}$, $B-\bar{B}$ 시스템에서의 모든 기존 실험 제약 조건과 일관된다.
• 질량이 6–7 TeV 정도인 $Z_R$ 공명이 예측되며, 주로 이론 레프톤으로 붕괴되어 기존 LHC 이론 레프톤 탐색에서 탐지 가능하다.
• 제1 및 제3 쿼크 세대 간 오른쪽 수체 CKM 혼합이 유의미할 경우, $W_R$ 모형은 $b$-쿼크 PDF의 억제를 피할 수 있는 유의미한 $t$-채널 기여를 예측한다.
• 단일 탑 생성에서의 탑 쿼크 스핀 비대칭은 오른쪽 수체 탑 쿼크 생성으로 인해 표준모형 예측과 다를 수 있으며, 이는 청소년적 오차 없이 청결한 탐지 수단이 될 수 있다.
• $\mu\mu$ 신호 부재 현상을 설명한다: 큰 $SU(2)_R$ 붕괴 스케일로 인해 오른쪽 수체 뮤온 중성자가 운동학적으로 접근 불가능하다. 이 스케일은 $W_R$ 질량의 2–3배이다.
• $Z_R$ 보손의 질량은 $SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 붕괴 스케일 $f$에 가까이 있으며, $M_{W_R} \sim 2.5$ TeV일 경우 $M_{Z_R} \sim 6-7$ TeV로 예측된다. 또한 $g_{B-L}^2 \gtrsim 1$이므로 혼합 각도는 최대에 가까운 것으로 예측된다.