[论文解读] Observing nonstandard $W'$ and $Z'$ through the third generation and Higgs lens

Lisa Edelhäuser, Alexander Knochel|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文在一种族非普遍的 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 模型中重新诠释了 LHC 对重 $W'$ 和 $Z'$ 玻色子的搜寻，其中第三代费米子与新规范玻色子的耦合更强。结果表明，尽管宽度效应显著降低了灵敏度，第三代表道衰变通道在排除极限方面仍具竞争力；而希格斯辐射搜寻（$Vh$ 产生）对 $V'$ 质量提供了强有力的约束，尤其在结合 $p_T^{V}$ 和 $m_{bb}$ 截断优化后效果更佳。

ABSTRACT

We reinterpret $W'$, $Z'$ and Higgs searches at the LHC in terms of a model with nonuniversal $V'$ couplings to fermions in order to gauge how well these searches can be applied outside the (simplified) scenarios for which they were optimized. In particular, we consider bounds from $V'$ searches in final states $ττ$, $eν$, $ll$ and $t b$, and discuss the impact of width effects. We then show that decays of the type $V' ightarrow V h$ yield additional bounds on the heavy vector masses and, in the case of a discovery, provide an important probe of the heavy sector. Finally, we match the low energy limit of the model to an effective theory and compare the bounds on the resulting dimension-6 operators with the direct searches discussed in this paper.

研究动机与目标

• 评估现有 LHC 搜寻在非顺序标准模型（SM）情景下对 $W'$ 和 $Z'$ 的灵敏度，特别是针对费米子耦合非普遍的模型。
• 评估增强的第三代表道耦合对 $W'$ 和 $Z'$ 衰变宽度的影响，及其对基于形状分析和单箱分析排除极限的含义。
• 探索 $V^\prime h$ 伴随产生作为探测 $V^\prime$ 质量和耦合的潜力，即使重希格斯态超出探测范围。
• 将直接 LHC 搜寻与有效场论（EFT）算符（特别是 $\mathcal{O}_W$）的约束进行比较，重点关注该模型的低能极限。
• 量化模型依赖的干涉效应与宽度效应如何改变标准搜寻策略的探测范围，特别是在 $W' \to tb$ 和 $Z' \to \tau\tau$ 通道中。

提出的方法

• 在具有非普遍耦合的 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 模型背景下，重新诠释 ATLAS 和 CMS 对 $W' \to tb$、$W' \to \ell\nu$、$Z' \to t\bar{t}$、$Z' \to ll$ 和 $Z' \to \tau\tau$ 的搜寻。
• 应用 [9] 和 [10] 中基于 $M_T^{\text{min}}$ 的单箱分析方法，估算接受度与排除能力，通过数值模拟考虑宽度效应。
• 重新利用 $pp \to Vh \to b\bar{b} + 0l,1l,2l$ 的现有希格斯搜寻数据，推导 $V' \to Vh$ 衰变的约束，利用 $g_{V'Vh} \propto s_E^2 - s_\beta^2$ 作为关键耦合关系。
• 实施优化的运动学截断——特别是 $p_T^V$ 和 $m_{bb}$——以增强 $Vh$ 通道的灵敏度，尤其在强动量转移的希格斯玻色子情形下。
• 将该模型的低能极限与有效场论（EFT）匹配，识别如 $\mathcal{O}_W$ 等维数-6 算符的威尔逊系数。
• 将直接 LHC 约束与基于 EFT 的约束进行比较，重点关注 $g_1, g_2 < 1$ 的情形，以评估直接搜寻何时优于 EFT 灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $SU(2)_1 \times SU(2)_2$ 模型中，第三代表道耦合增强如何影响 LHC 对 $W'$ 和 $Z'$ 搜寻的灵敏度，相较于顺序 SM 情况？
• RQ2 来自 $V' \to \text{费米子}$ 衰变的宽度效应在多大程度上扭曲了基于形状分析和单箱 LHC 分析得出的排除极限？
• RQ3 当重希格斯态不可及时，$V^\prime h$ 伴随产生是否能在希格斯搜寻末态中提供对 $V^\prime$ 质量的有竞争力的约束？
• RQ4 在模型的低能极限下，直接 LHC 搜寻对维度-6 算符（如 $\mathcal{O}_W$）的灵敏度与基于 EFT 的约束相比如何？
• RQ5 在哪些参数区域中，$V^\prime \to Vh$ 衰变通道会成为重矢量场探测的主要手段，以及如何对其进行优化？

主要发现

• 当 $\cot_E > 1$ 时，尽管宽度较大，第三代表道衰变通道（如 $W' \to tb$ 和 $Z' \to \tau\tau$）在排除极限方面与标准 $W'$ 和 $Z'$ 搜寻具有可比性。
• 宽度效应可能导致基于形状分析的排除能力被高估约 $O(100)$ GeV，显著降低标准极限的可靠性。
• 在包含单顶夸克产生干涉效应时，$Z' \to \tau\tau$ 的基于 $M_T^{\text{min}}$ 的单箱搜寻提供了更稳健的接受度估计，其极限约弱 $200$ GeV。
• 在未优化截断下，希格斯辐射搜寻（$pp \to Vh$）可给出下限 $M_{W'}^\prime = M_{Z'}^\prime > 1300$ GeV，对应 $|c_W| < 0.0038$。
• 针对每个质量假设优化 $p_T^V$ 和 $m_{bb}$ 截断可显著提升灵敏度，尤其在强动量转移的希格斯玻色子区域。
• 在弱耦合区域（$g_1, g_2 < 1$），直接搜寻比基于 EFT 的约束更灵敏；但当 $\cot_E > 1$ 时，直接搜寻灵敏度下降，而 EFT 威尔逊系数保持稳定。