[논문 리뷰] Early LHC bound on W' boson in the nonuniversal gauge interaction model

Yeong Gyun Kim, Kang Young Lee|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 7 테바의 중심질량 에너지에서의 초기 LHC 데이터를 사용하여 경량 및 제3세대 페르미온에 대해 별개의 $SU(2)_l$ 및 $SU(2)_h$ 군을 가진 비일관된 게이지 상호작용 모형에서 무거운 $W^\prime$ 보손의 질량에 대한 직접적 제약 조건을 제시한다. 분석 결과, $\sin^2\phi \gtrsim 0.3$ 인 경우 $m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ 테바의 직접적 LHC 제약 조건이 CKM 단위성과 쿠르티우스-형식의 과도한 붕괴 과정에서 유도된 간접 제약 조건과 일치함을 확인하였다.

ABSTRACT

We study the phenomenology of the heavy charged gauge boson and obtain the lower bounds on its mass with the early LHC data at 7 TeV center-of-mass energy in the nonuniversal gauge interaction model, in which the electroweak SU(2) gauge group depends upon the fermion family. We found that the direct bound on the mass of the $W'$ boson is compatible to the indirect bound with only the early data of the LHC.

연구 동기 및 목표

• 7 테바 중심질량 에너지에서의 초기 LHC 데이터를 사용하여 $W^\prime$ 보손 질량에 대한 직접적 실험적 제약 조건을 유도하는 것.
• 페르미온 가족에 따라 $SU(2)$ 결합이 달라지는 비일관된 게이지 모형에서 $W^\prime$ 보손의 현상학적 성질을 조사하는 것.
• CKM 행렬의 단위성 위반과 렙톤의 맛 위반이 유도하는 간접 제약 조건과 직접 LHC 제약 조건을 비교하는 것.
• $\sin^2\phi$ 및 $m_{W^\prime}$의 매개변수 공간 전반에서 직접적 제약 조건과 간접적 제약 조건의 일치 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• 첫 번째/두 번째 및 제3세대 페르미온에 대해 별개의 결합을 가지는 $SU(2)_l \times SU(2)_h \times U(1)_Y$ 게이지 군 기반의 형식론.
• 진공 기대값 $\langle\Sigma\rangle = \text{diag}(u,u)$ 를 가진 이중 빌드 스칼라 $\Sigma$ 를 통한 자발적 대칭 붕괴로 $W^\prime$ 및 $Z^\prime$ 보손이 유도된다.
• $m_{W^\prime}^2 = m_0^2 / (\lambda \sin^2\phi \cos^2\phi)$ 로 유도된 $W^\prime$ 질량, 여기서 $m_0 = ev/(2\sin\theta)$ 이고 $\lambda = v^2/u^2$ 이다.
• 충전 전류 상호작용은 $G^\prime_L = -g/\sqrt{2} \tan\phi$ 를 가지는 $W^\prime$ 를 통해 이루어지며, 이는 비일관된 결합을 초래한다.
• LHC 제약 조건은 $pp \to \ell\ell\nu$ 최종 상태에서의 전단면 질량 분포에 대한 $W^\prime$ 신호의 부재를 기반으로 유도된다.
• 간접 제약 조건은 CKM 행렬의 단위성 위반 ($\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$) 과 렙톤의 맛 위반을 이용하여 실험적 제약 조건을 기반으로 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비일관된 게이지 모형에서 7 테바의 초기 LHC 데이터를 통해 $W^\prime$ 보손 질량에 대한 직접적 하한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ2 직접 LHC 제약 조건은 CKM 단위성 위반과 렙톤의 맛 위반에서 기인한 간접 제약 조건과 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 $SU(2)_l$ 와 $SU(2)_h$ 사이의 혼합 각도 $\phi$ 에 따라 $W^\prime$ 질량 제약 조건은 어떻게 달라지나요?
• RQ4 비록 $W^\prime$ 결합이 존재하더라도 왜 작은 $\sin^2\phi$ 영역에서는 제약 조건이 약해지나요?
• RQ5 초기 LHC 데이터는 정밀 전자기 및 저에너지 맛 데이터와 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있나요?

주요 결과

• 2010년도 36 pb$^{-1}$ 데이터를 기반으로, $\sin^2\phi = 0.3$ 인 경우 직접 LHC 제약 조건은 $m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ 테바이다.
• 직접 LHC 제약 조건은 $\sin^2\phi > 0.18$ 인 경우 CKM 단위성 위반에서 기인한 간접 제약 조건과 일치한다.
• 작은 $\sin^2\phi$ 영역에서는 $pp \to ud \to W^\prime \to \ell\ell\nu$ 채널에서의 $W^\prime$ 생성 및 붕괴 확률이 억제되어 제약 조건이 크게 떨어진다.
• CKM 단위성 위반($\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$) 에서 기인한 간접 제약 조건은 전자기 정밀도 측정과 저에너지 중성형인과 데이터보다 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 트리 수준의 FCNC 상호작용을 통한 렙톤의 맛 위반은 특히 중성미온의 질량이 불확실할 경우 보수적인 간접 제약 조건을 제공한다.
• 이 모형에서 $W^\prime$ 와 $Z^\prime$ 보손은 $\Sigma$ 의 대칭적인 진공 기대값 구조로 인해 질량이 일치한다. 즉, $m_{W^\prime} = m_{Z^\prime}$ 이다.