[論文レビュー] Decays $Z' o \gamma \gamma \gamma$ and $Z o \gamma \gamma \gamma$ in the minimal 331 model

J. Montaño, M. A. Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、標準模型の正規可縮な拡張としての最小331模型における、$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ および $Z \to \gamma\gamma\gamma$ の希少崩壊過程を検討する。一Loop計算により、Exoticクォークおよびゲージボソンを含む、$Z'$の三つの光子への分岐比は約 $\sim 10^{-6}$ に達することが判明し、これは標準模型の $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊と比較して約1,000倍大きい。これは、新しい物理のLHC信号としての可能性を示している。

ABSTRACT

The possibility of a significant effect of exotic particles on the Z'->\gamma\gamma\gamma{} and Z->\gamma\gamma\gamma{} decays is investigated in the context of the minimal 331 model. This model, which is based in the SU_C(3)xSU_L(3)xU_X(1) gauge group, predicts the existence of many exotic charged particles that can significantly enhance the decay widths. It is found that the standard model prediction for the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay remains essentially unchanged, as the new physics effects quickly decouples. On the other hand, it is found that the contributions of the new exotic quarks and gauge bosons predicted by this model lead to a branching fraction for the Z'->\gamma\gamma\gamma{} decay of about 10^(-6), which is about three orders of magnitude larger than that of the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay.

研究の動機と目的

• 最小331模型が予言するExotic粒子が、希少崩壊 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 及びその標準模型の類似過程 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ に与える影響を調査すること。
• Exoticクォークおよびゲージボソンからの新しい物理的寄与が、標準模型と比較して $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ の崩壊幅を顕著に増幅させるかどうかを評価すること。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において、$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ の分岐比が顕著に増加していることから、その観測可能性を評価すること。

提案手法

• 最小331模型において、$V^0 \to \gamma\gamma\gamma$（$V^0 = Z, Z'$）の崩壊振幅を計算するために、一Loopファインマン図計算が用いられる。
• 仮想Exotic粒子、すなわち電荷を帯びたおよび二重電荷を帯びたゲージボソン（$Y^\pm, Y^{\pm\pm}$）、Exoticクォーク、および電荷を帯びたヒッグスボソンの寄与が含まれる。
• ループ積分を解析的に評価するために、Passarino-Veltmanのスカラーおよびテンソル関数（$B_0, C_0, D_0$）が使用される。
• モデルのゲージ構造は $\text{SU(3)}_C \times \text{SU(3)}_L \times \text{U(1)}_X$ に基づき、TeVスケールでの自発的対称性の破れを仮定する。
• $Z'$の質量がTeVスケールに近いと仮定し、対称性の破れに1つのトリプレットと1つのセクステットを用いた最小331ヒッグス系を採用する。
• 部分幅 $\Gamma(Z' \to \gamma\gamma\gamma)$ を $Z'$ 全体の崩壊幅と比較することで、分岐比が計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小331模型は、標準模型の予測と比較して、$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ の崩壊幅を顕著に増幅させるか？
• RQ2 Exoticクォークおよび電荷を帯びたゲージボソン（$Y^\pm, Y^{\pm\pm}$）は、一Loopレベルでの $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 同じ模型内において、$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ の分岐比は $Z \to \gamma\gamma\gamma$ と比較してどの程度か？
• RQ4 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊は、その増幅された生成率のおかげでLHCで検出可能であると見なせるか？
• RQ5 331模型における新しい物理的寄与は、高エネルギー域でデカップルするのか、それともTeVスケールで依然として重要であるのか？

主な発見

• 最小331模型における $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ の分岐比は、約 $10^{-6}$ に推定され、これは標準模型の $Z \to \gamma\gamma\gamma$ の予測と比較して約3桁大きい。
• 標準模型における $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊幅は、331模型内でも本質的に変化しない。これは、新しい物理的寄与がエネルギースケールが上昇するにつれて急速に消えるためである。
• Exoticクォークおよび電荷を帯びたゲージボソン（$Y^\pm, Y^{\pm\pm}$）は、一Loopレベルでの $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊振幅の主な寄与者である。
• 電荷を帯びたヒッグスボソンの $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊への寄与は、フェルミオンおよびベクトルボソンの寄与と比較して無視できるほど小さい。
• 非標準的な量子数を持つ多数のExotic粒子のおかげで、$Z'$の三つの光子への崩壊幅が顕著に増幅されることがモデルで予測されている。
• $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 崩壊は、標準模型と比較して顕著に増加した分岐比のおかげで、LHCで観測可能な信号であると特定された。