[论文解读] New Color-Octet Vector Boson?

Bo-Wen Xiao, You-kai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文提出一种新的色八重态大质量矢量玻色子 $Z_C$，其质量略高于顶夸克质量的两倍（$M_C \sim 360$ GeV），以解释CDF和D0实验观测到的顶夸克对产生中的正向-反向不对称性（$A_{FB}$）和不变质量分布（$d\sigma/dM_{t\bar{t}}$）。$Z_C$ 通过s通道 $q\bar{q} \to t\bar{t}$ 衰变，与QCD振幅发生干涉，从而产生 $A_{FB}$，同时保持 $M_{t\bar{t}}$ 分布形状不变，并且在LHC上具有可观测信号，即使在低亮度条件下亦可探测。

ABSTRACT

Both CDF and D0 at Tevatron reported the measurements of forward-backward asymmetry in top pair production, which showed possible deviation from the standard model QCD prediction. In this paper, we show that a new color-octet massive vector boson with mass just above twice that of top quark can simultaneously account for the asymmetry and differential distribution $dσ/dM_{t\bar t}$ in top pair production, without conflict with other measurements for example di-jet production. The new particle can be discovered and studied at the more powerful Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 解释TeVatron中顶夸克对产生观测到的 $A_{FB}$，其与SM QCD预测值偏离约2σ。
• 同时解释微分截面 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 而不扭曲其形状，特别是在高-$M_{t\bar{t}}$ 区域。
• 确保与其他约束条件相容，如二胶子喷注产生和同号顶夸克产生率。
• 提出一种新物理模型，避免先前 $Z'$ 或 $W'$ 模型以及重轴向胶子模型的缺陷。
• 通过独特的角分布和不变质量分布，使LHC能够发现并研究该新粒子。

提出的方法

• 引入一种新的色八重态大质量矢量玻色子 $Z_C$，其质量 $M_C > 2m_t$，并通过轴向矢量相互作用与夸克耦合。
• 构建 $Z_C$ 与顶夸克及轻夸克耦合的有效拉格朗日量，其与顶夸克的耦合强于与轻夸克的耦合。
• 计算在 $Z_C$ 模型中顶夸克对产生截面 $\sigma$ 和正向-反向不对称性 $A_{FB}$，包括与SM QCD振幅的干涉效应。
• 将单边正向-反向不对称性 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$ 作为LHC的关键可观测量，通过在 $z$ 方向施加动量截断定义。
• 应用动量截断 $P_{t\bar{t},\text{cut}}^z = 600$ GeV（7 TeV）和 $1.2$ TeV（14 TeV）以抑制QCD背景。
• 计算信号显著性 $Sig = (\sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}+Z_C} - \sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}})/\sqrt{\sigma_{\text{SM}}} \times \sqrt{\mathscr{L}}$，其中 $\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种新的色八重态矢量玻色子能否在不违反其他约束的前提下，同时解释顶夸克对产生中的 $A_{FB}$ 异常和 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 分布？
• RQ2 质量较低的 $Z_C$（$M_C \sim 360$ GeV）若具有轴向矢量耦合，能否重现观测到的 $A_{FB}$，同时保持 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 的SM类似形状？
• RQ3 通过LHC上的角分布和不变质量分布，该 $Z_C$ 模型能否与 $Z'$ 或轴向胶子模型区分开来？
• RQ4 在实际亮度和动量截断条件下，$Z_C$ 在LHC上的可探测性如何？
• RQ5 $Z_C$ 与顶夸克和轻夸克的耦合强度如何影响信号显著性和可观测性？

主要发现

• 质量为 $M_C = 360$ GeV、具有夸克轴向矢量耦合的 $Z_C$ 玻色子，能够同时解释CDF和D0实验对 $A_{FB}$ 的测量结果，以及 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 分布，且不扭曲高-$M_{t\bar{t}}$ 区域的形状。
• 在LHC上，当 $\sqrt{s} = 7$ TeV 且 $\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$ 时，该模型预测的信号显著性为 $21.62$，表明其具有很高的可发现性。
• 在7 TeV能量下，$Z_C$ 模型中的单边正向-反向不对称性 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$ 达到1670 fb，显著高于SM的650 fb。
• 由于其质量较低且耦合结构特殊，该模型避免了与二胶子喷注和同号顶夸克产生约束的冲突。
• $Z_C$ 与顶夸克的耦合远强于与轻夸克的耦合，但耦合符号相同，因此与传统轴向胶子模型不同。
• 该模型暗示了与顶夸克对凝聚及电弱对称性自发破缺的潜在联系，为新模型构建提供了新途径。