[논문 리뷰] A Z' Boson and the Higgs Boson Mass

Michael S. Chanowitz|ArXiv.org|2008. 06. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 $U(1)_X$ 게이지 확장에서 유래하는 $Z^\prime$ 보손이 전자약력 피팅과 예측된 힉스 보손 질량에 미치는 영향을 조사한다. $Z$–$Z^\prime$ 혼합을 통해 $Z^\prime$는 무거운 힉스에서 기인한 음의 $\rho$-파라미터 이동을 상쇄함으로써 $m_H$ 예측을 높이며, 표준모형 피팅과 LEP II 직접 한계 사이의 갈등을 해결한다. 주요 결과는 $Y$-순차적 결합을 가진 $Z^\prime$가 강입자 비대칭성 불확실성을 배제할 경우 $m_H$ 예측을 114 GeV 하한선과 일치시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The Standard Model fit prefers values of the Higgs boson mass that are below the 114 GeV direct lower limit from LEP II. The discrepancy is acute if the 3.2 sigma disagreement for the effective weak interaction mixing angle from the two most precise measurements is attributed to underestimated systematic error. In that case the data suggests new physics to raise the predicted value of the Higgs mass. One of the simplest possibilities is a Z' boson, which would generically increase the prediction for the Higgs mass as a result of Z-Z' mixing. We explore the effect of Z-Z' mixing on the Higgs mass prediction, using both the full data set and the reduced data set that omits the hadronic asymmetry measurements of the weak mixing angle, which are more likely than the leptonic asymmetry measurements to have underestimated systematic uncertainty.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 피팅의 지속적인 $3.2\sigma$ 이상의 불일치인 $A_{LR}$와 $A_{FB}^b$ 측정치 사이의 효과적 레프톤 약한 혼합 각 $\sin^2\theta_W^{\rm eff}$를 해결하기 위해.
• 강입자 비대칭성이 배제된 경우 표준모형 예측인 $m_H \approx 50$ GeV와 LEP II의 직접 하한 114 GeV 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 표준모형 외의 상호작용을 고려할 때 $Z^\prime$ 보손이 $Z$–$Z^\prime$ 혼합을 통해 $m_H$ 예측을 LEP II 한계와 일치시킬 수 있는지 탐색하기 위해.
• 특히 $Y$-순차적 $Z^\prime$ 결합에 대해 LEP II와 CDF의 최신 제약 조건을 고려한 $Z^\prime$ 모델의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이상성 보존 및 $Q_X$ 전하 정수화를 보장하기 위해 무거운 표준모형 단일 힉스 $H^\prime$를 통해 $Z$–$Z^\prime$ 혼합을 생성하는 $Z^\prime$ 모델을 수립한다.
• 완전한 EWWG 데이터 세트를 사용하여 전체 실험적 상관관계와 ZFITTER를 통한 레이디에이티브 보정을 포함한 전체 전자약력 정밀도 피팅을 수행한다.
• 표준모형 외의 접촉 상호작용에 대한 LEP II 제약 조건과 CDF의 $Z^\prime$ 생성에 대한 제약 조건을 적용하며, 일부 매개변수 영역에서는 정밀도 전자약력 제약 조건보다 더 강력하다.
• 기울기 파라미터 표현 $S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$, $T^\prime = -T_X$를 유도하여 $Z^\prime$ 모델이 표준 기울기 보정과 정확히 동일한 효과를 갖는다는 것을 보여준다.
• 강입자 비대칭 측정치를 포함하거나 배제한 채로 피팅을 수행하여 $A_{FB}^b$의 체계적 불확실성에 대한 민감도를 평가한다.
• 베이지안 분석을 통해 데이터 세트 A(강입자 비대칭성 포함)와 B(제외)에 대한 모델의 데이터 적합도를 평가하고 LHC에서의 검증 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강입자 비대칭성 불확실성을 배제한 경우, $Y$-순차적 결합을 가진 $Z^\prime$ 보손이 표준모형 피팅 예측인 $m_H \approx 50$ GeV와 LEP II의 직접 하한 114 GeV 사이의 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ2 $Z$–$Z^\prime$ 혼합은 $\rho$ 파라미터와 예측된 힉스 질량에 어떤 영향을 미치며, 무거운 힉스에서 기인한 음의 $\rho$-이동을 상쇄할 수 있는가?
• RQ3 작은 $Z^\prime$ 결합 영역에서는 CDF의 $Z^\prime$ 생성 제약 조건이 전자약력 정밀도 제약 조건보다 더 강력한가?
• RQ4 미래 LHC 데이터를 통해 $Z^\prime$ 모델이 표준모형과 구별될 수 있는가? 특히 서로 다른 데이터 세트에 대한 베이지안 피팅의 맥락에서.

주요 결과

• $Y$-순차적 결합을 가진 $Z^\prime$ 모델은 $Z$–$Z^\prime$ 혼합을 통해 $m_H$ 예측을 높이며, 이는 $\rho$ 파라미터를 증가시키고 무거운 힉스에서 기인한 음의 $\rho$-이동을 상쇄한다.
• 강입자 비대칭 측정치를 피팅에서 배제할 경우, $m_H$ 예측은 $m_H \approx 50$ GeV로 상승하며, 이 값이 114 GeV를 초과할 확률은 약 3%에 불과하여, $m_H$ 를 높이기 위해 새로운 물리학이 필요함을 시사한다.
• $Y$-순차적 결합을 가진 $Z^\prime$ 모델은 강입자 비대칭성이 포함된 데이터 세트 A에 대해서는 불일치하고, 포함되지 않은 데이터 세트 B에 대해서는 일치함을 보여, 모델에 따라 데이터 세트 선호도가 존재함을 시사한다.
• 기울기 파라미터 표현 $S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$, $T^\prime = -T_X$는 정확히 $Z^\prime$ 모델이 $\sin^2\theta_W^{\rm eff}$, $m_W$, $\Gamma_Z$ 에 미치는 영향을 재현하므로, 이 클래스의 모델에 대해 기울기 보정을 사용하는 것이 타당함을 검증한다.
• 작은 $Z^\prime$ 결합 영역에서는 CDF의 $Z^\prime$ 생성 제약 조건이 LEP II의 제약 조건보다 더 강력하며, 특히 $Y$-순차적 모델에서 그렇다.
• LHC는 데이터 세트 A와 B를 구별할 수 있다: 300 GeV의 힉스 보손과 $Y$-순차적 $Z^\prime$를 발견할 경우, 데이터 세트 B와 $Z^\prime$ 모델을 지지할 것이다.