[논문 리뷰] A Z-prime interpretation of Bd->K*mu+mu- data and consequences for high energy colliders

F. Richard|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 331 모형 내에서 LHCb의 B_d → K*μ⁺μ⁻ 붕괴에서 관측된 비정상 현상에 대해 Z′ 보손 해석을 제안하며, 두 가지 다른 시나리오—Z′의 결합 강도와 질량이 다름—이 데이터를 설명할 수 있음을 보여준다. 또한 고에너지 충돌기, 예를 들어 500 GeV의 ILC와 LHC가 편밀도 측정과 Z′-Z 혼합을 통해 모형의 구조를 탐색할 수 있음을 입증하며, ILC는 β와 같은 331 모형의 기본 매개변수를 유일하게 구분할 수 있다.

ABSTRACT

In this note, I examine the possible consequences for high energy colliders of a Z-prime interpretation of the LHCb anomaly observed in the K*mu+mu- final state. Two examples are elaborated in the framework of the so-called 331 model. In the first one it is shown that LEP2 provides the tightest lower mass limit for the Z-prime boson, above 8 TeV, while in the second one the lower mass limit is set by ATLAS/CMS to about 3 TeV. It is then shown that precision measurements at ILC 500 GeV can fully explore the underlying structure of the model by measuring the fermion final states separately: leptons, charm, beauty and top final states. Z-prime-Z mixing can also be substantial, thus leading to possible effects almost observable at LEP1 and which can be precisely measured at GigaZ. Discovery prospects for heavy bosons and heavy fermions at LHC are also discussed .

연구 동기 및 목표

• LHCb의 B_d → K*μ⁺μ⁻ 붕괴에서 관측된 비정상 현상이 331 모형 내에서 Z′ 보손으로 설명될 수 있는지 조사하기.
• LEP2, ILC, LHC와 같은 고에너지 충돌기가 331 모형이 예측하는 Z′ 및 관련된 고질량 입자를 발견할 잠재력을 평가하기.
• ILC가 500 GeV에서 별개의 최종 상태(전자, 셰이프 쿼크, 뷰티 쿼크, 톰 쿼크)를 측정함으로써 331 모형의 매개변수 β를 유일하게 규명할 수 있는지 확인하기.
• Z′-Z 혼합의 역할과 LEP1 및 GigaZ에서의 관측 가능성 평가하기.
• ATLAS와 CMS의 감도를 비교하여, 특히 결합 강도의 실행 효과를 고려할 때 다양한 331 시나리오에서 Z′를 발견할 수 있는 정도 평가하기.

제안 방법

• 331 모형 내에서 두 가지 벤치마크 시나리오를 구성: 하나는 큰 Z′ 결합 강도(β = -√3)와 M_Z′ = 7 TeV를 가지며, 다른 하나는 감소된 결합 강도(β = -2/√3)와 M_Z′ = 3.2 TeV를 가짐.
• 331 모형의 전하 공식 Q = T3 + βT8 + X1을 사용해 페르미온 전하를 정의하고 이상성 없는 조건을 확보함.
• LHCb 데이터, Bs → μ⁺μ⁻, 그리고 Bs-Bs̄ 혼합을 고려해 Z′가 b→s 및 μ⁺μ⁻에 미치는 결합 강도를 고정함.
• Z′ 결합 강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 약 4 TeV에서 sin²w를 0.231(SM)에서 0.25로 실행함.
• LHC에서 쿼크-반쿼크 과정(q q̄ → Z′ → μ⁺μ⁻)을 이용해 Dilepton 생성 단면적과 분해비율을 추정함.
• Z′-Z 혼합 각도와 Z-극점 관측량에 미치는 영향을 모델링함. 이는 LEP1에서의 AFB(b)와 GigaZ에서의 정밀 측정을 포함함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실현 가능한 결합 강도와 질량을 가진 331 모형 내에서 Z′ 보손이 B_d → K*μ⁺μ⁻의 LHCb 비정상 현상을 일관적으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 sin²w의 실행이 Z′ 결합 강도와 모형의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LEP2, ILC, LHC가 331 모형 내 Z′ 및 관련 고질량 상태를 탐색하는 데 어떻게 상호보완적인가?
• RQ4 500 GeV에서의 ILC가 별개의 페르미온 최종 상태를 측정함으로써 331 모형의 β 매개변수를 유일하게 규명할 수 있는가?
• RQ5 Z′-Z 혼합는 LEP1에서 관측 가능할 정도로 크며, GigaZ에서 정밀하게 측정될 수 있으며, 이는 모형에 대한 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• β = -√3 이고 M_Z′ = 7 TeV인 시나리오 1은 LEP2에 의해 배제되며, Z′ 보손에 대해 8 TeV 이상의 질량 하한을 설정함.
• β = -2/√3 이고 M_Z′ = 3.2 TeV인 시나리오 2는 LHC 제약 조건과 일치하며, 14 TeV에서 LHC가 분해비율이 표준모형 Z′보다 최대 3배 더 큰 경우에 이를 발견할 수 있음.
• 500 GeV에서의 ILC는 별개의 최종 상태(전자, c 쿼크, b 쿼크, t 쿼크)를 측정함으로써 331 모형을 명확히 규명할 수 있으며, β의 정밀한 결정이 가능함.
• Z′-Z 혼합은 상당히 크며, LEP1에서 관측되었을 수 있었고, GigaZ는 혼합 각도를 고정밀도로 측정할 수 있어 모형을 시험하고 AFB(b) 비정상 현상을 해결함.
• 양성 힉스 보손(H±)은 각각 시나리오 1에서 2.2 TeV, 시나리오 2에서 2.14 TeV의 질량을 예측하며, 고에너지 충돌기에서 접근 가능함.
• sin²w의 실행은 시나리오 1에서 Z′ 결합 강도를 크게 증가시켜, 실행 효과를 보정하지 않으면 LHCb와 일치하지 않음. 이는 시나리오 2를 사용하는 것이 타당성을 높임.