[論文レビュー] Light Z' Bosons at the Tevatron

Matthew R. Buckley, Dan Hooper+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、140–150 GeVの質量とクォーク（特にbクォークとトップクォーク）への増強された結合を持つ、軽量でレプトンを避けるZ′ボソンを提案する。これは、テバトロンで観測された3つの異常を統一的に説明するものである：W+2ジェットで観測された3.2σの過剰、マルチbジェット最終状態での2σの過剰、およびトップクォーク対生成における3.4σの前後非対称性。このモデルは、軽いクォーク（gqqZ′ ≈ 0.1–0.3）へのわずかな結合、bクォーク（gbbZ′ ≈ 0.7–0.9）への大きな結合、およびトップクォークへのフラーバー違反結合（gutZ′ ≈ 0.3–0.8）を同時に持つことで、これらの信号を説明する。また、直接検出とリリック密度観測と整合する検出可能なダークマター散乱断面積と消失率を予測する。

ABSTRACT

New gauge bosons with Standard Model-like couplings to leptons are constrained by collider searches to be heavier than approximately ~1 TeV. A Z' boson with suppressed couplings to leptons, however, could be much lighter and possess substantial couplings to Standard Model quarks. In this article, we consider a new leptophobic Z' gauge boson as a simple and well motivated extension of the Standard Model, and discuss several of its possible signatures at the Tevatron. We find that three of the recent anomalies reported from the Tevatron - in particular the top-quark forward-backward asymmetry and excesses in the 3b and W + 2 jets final states - could be explained by a new Z' with a mass of approximately 150 GeV, relatively large couplings to quarks, and suppressed couplings to electrons and muons. Moreover, we find that such a particle could also mediate the interactions of dark matter, leading to potentially interesting implications for direct detection experiments.

研究の動機と目的

• テバトロンで観測された3つの異常を説明すること：W+2ジェットでの3.2σの過剰、マルチbジェット最終状態での2σの過剰、およびトップクォーク対生成における3.4σの前後非対称性。
• 電子およびミュオンへの結合が抑制された軽いZ′ボソンの妥当性を検討すること。これは、1 TeV未満の質量を持つにもかかわらず、標準的なLEPおよびテバトロンの制約を回避可能である。
• 特定のクォーク結合を持つ1つのZ′ボソンが、複数の独立した異常を同時に説明できるかを検討すること。これにより、追加の新しい粒子を必要としなくなる。
• このようなZ′がダークマターの素粒子的性質に与える影響を検討すること。特に、CoGeNTおよびDAMA/LIBRAからの直接検出信号を説明し、熱的凍結アウトによる正しいリリック密度を達成できるかを検証すること。

提案手法

• 電子およびミュオンへの結合が抑制された（gllZ′ < 0.04）、クォーク、特にbクォークとトップクォークへの結合が強化されたレプトンを避けるZ′モデルを構築する。これにより、レプトンベースの加速器実験の制約を回避できる。
• 有効場理論と木レベルのファインマン図を用いて、Z′の生成および崩壊断面積を計算する。具体的には、q̄q → Z′* → q′q̄′、Z′ → bb̄、およびZ′ → ut̄/tū の過程を対象とする。
• 観測された140–150 GeV付近のピークと過剰率を用いて、Z′の質量と結合定数をW+2ジェットおよびマルチbジェット最終状態のインバリアント質量分布にフィットする。
• トップクォークの前後非対称性を、フラーバー違反結合g̃utZ′を導入することでモデル化し、450 GeV以上のt̄tインバリアント質量で観測された3.4σのずれを説明する。
• Z′を媒介として、ダークマターのスカラーまたはディラックフェルミオン（gDMZ′ ~ 0.1）と仮定し、散乱断面積と消失率を計算する。
• 予測されたダークマター断面積（σ ~ 2×10⁻⁴⁰ cm²）および消失率（σv ~ 2×10⁻²⁶ cm³/s）を、CoGeNT、DAMA/LIBRAの実験データおよび観測されたダークマターのリリック密度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子への結合が抑制された1つの軽量Z′ボソンが、テバトロンで観測された3つの独立した異常を説明できるか？
• RQ2 W+2ジェット、マルチbジェット、およびトップクォークの前後非対称性の過剰を同時に説明するためには、Z′の質量とクォーク結合にどのような値が必要か？
• RQ3 レプトンを避けるZ′の存在が、ダークマター直接検出およびリリック密度予測に与える影響は何か？
• RQ4 LEPおよびテバトロンのデータは、電子・ミュオンへの結合が抑制され、クォークへの結合が大きなZ′に対してどのような制約を課えるか？
• RQ5 450 GeV以上のインバリアント質量で観測されたトップクォークの前後非対称性は、トップクォークへのフラーバー違反結合を含むZ′モデルと整合するか？

主な発見

• 質量が約140–150 GeV、軽いクォークへの結合がgqqZ′ ≈ 0.1–0.3のZ′ボソンは、140–150 GeVにピークを持つ二ジェットインバリアント質量分布を示し、W+2ジェット最終状態の3.2σの過剰を説明できる。
• 同じZ′ボソンがbクォークへの結合を強化（gbbZ′ ≈ 0.7–0.9）することで、マルチbジェット最終状態の2σの過剰を説明でき、多くの二ジェットがbジェットであると予測する。
• 質量が120–280 GeV、トップクォークへのフラーバー違反結合（gutZ′ ≈ 0.3–0.8）を持つZ′は、高エネルギーt̄tインバリアント質量領域での3.4σのトップクォーク対生成の前後非対称性を説明できる。
• このモデルは、gDMZ′ ~ 0.1の結合定数に対して、ダークマター–核子の弾性散乱断面積をσ ≈ 2×10⁻⁴⁰ cm²と予測し、CoGeNTおよびDAMA/LIBRAが報告した信号と整合する。
• 同様のZ′モデルは、ダークマターの消失断面積をσv ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/sと予測し、宇宙論的観測で求められる熱的リリック密度と整合する。
• 3つの異常は、質量が~140–150 GeV、bクォークへの大きな結合、およびトップクォークへの中程度から大きな結合を持つ1つのZ′ボソンによって、追加の新しい粒子を必要とせずに同時に説明可能である。