[论文解读] Signals of a 2 TeV $W'$ boson and a heavier $Z'$ boson

Bogdan A. Dobrescu, Patrick J. Fox|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用 7

一句话总结

该论文提出一个具有最小希格斯场 sector（双二重态和右手中微子二重态）及狄拉克右手中微子场的 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 模型，以解释 CMS 和 ATLAS 在 $e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$ 和 $WZ$ 末态中的 Run 1 异常信号。该模型预测在 1.9 TeV 处存在一个 $W'$ 玻色子，其 $g_R \approx 0.4$–0.5，预测在 13 TeV LHC 上的产生截面为 700–900 fb，并可探测超过 17 种末态；而 $Z'$ 玻色子质量更重，位于 3.4–4.5 TeV 范围内，其多种衰变道可在 Run 2 中被探测到。

ABSTRACT

We construct an $SU(2)_L imes SU(2)_R imes U(1)_{B-L}$ model with a Higgs sector that consists of a bidoublet and a doublet, and with a right-handed neutrino sector that includes one Dirac fermion and one Majorana fermion. This model explains the Run 1 CMS and ATLAS excess events in the $e^+e^-jj$, $jj$, $Wh^0$ and $WZ$ channels in terms of a $W'$ boson of mass near 1.9 TeV and of coupling $g_R$ in the 0.4--0.5 range, with the lower half preferred by limits on $t \bar b$ resonances and Run 2 results. The production cross section of this $W'$ boson at the 13 TeV LHC is in the 700--900 fb range, allowing sensitivity in more than 17 final states. We determine that the $Z'$ boson has a mass in the 3.4--4.5 TeV range and several decay channels that can be probed in Run 2 of the LHC, including cascade decays via heavy Higgs bosons.

研究动机与目标

• 解释 CMS 和 ATLAS 在 $e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$ 和 $WZ$ 末态中的 Run 1 异常信号。
• 构建一个具有双二重态和 $SU(2)_R$ 二重态希格斯场的最小 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 模型，以容纳 $W'$ 和 $Z'$ 玻色子。
• 通过引入电子和底夸克右手中微子构成的狄拉克费米子，解释 $e^+e^-jj$ 异常信号的同时抑制 $e^+e^+jj$ 信号。
• 确定 LHC Run 2 敏感度下 $W'$ 和 $Z'$ 的产生截面与分支比。
• 提供 MadGraph 模型文件，以支持对多个 $W'$ 和 $Z'$ 衰变道的模拟，助力实验分析。

提出的方法

• 构建一个包含费米子、规范玻色子及由双二重态 $\Sigma$ 和 $SU(2)_R$ 二重态 $H_R$ 组成的希格斯场的 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 规范场论。
• 利用 $H_R$ 的真空期望值（VEV）生成 $W'$ 和 $Z'$ 玻色子的质量，其中 $M_{W'} \approx 1.9$ TeV。
• 引入一个全局对称性，强制使电子和底夸克右手中微子形成狄拉克费米子，从而抑制 $e^+e^+jj$ 信号。
• 利用 $g_R \approx 0.4$–0.5 计算 13 TeV 下 $W'$ 的宽度与产生截面，预测截面为 700–900 fb。
• 使用蒙特卡洛方法模拟 $W'$ 衰变为 $eN_D$、$jj$、$WZ$、$Wh^0$ 和 $Z^0h^0$ 的过程。
• 推导 $M_{Z'} \approx 3.4$–4.5 TeV 下 $Z'$ 的分支比与衰变道，包括通过重希格斯玻色子的级联衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $g_R \approx 0.4$–0.5 条件下，1.9 TeV 处的 $W'$ 玻色子能否解释 CMS 和 ATLAS 在 $e^+e^-jj$、$jj$、$Wh^0$ 和 $WZ$ 末态中的 Run 1 异常信号？
• RQ2 通过将电子和 $\tau^+$ 右手中微子组合为狄拉克费米子，如何实现对 $e^+e^+jj$ 信号的抑制，同时保持 $e^+e^-jj$ 异常信号？
• RQ3 在 13 TeV LHC 下，$W'$ 玻色子的产生截面是多少？其可探测的独立末态数量有多少？
• RQ4 当 $Z'$ 玻色子质量位于 3.4–4.5 TeV 范围时，其分支比与可探测衰变道是什么？
• RQ5 该模型的预测是否可在多种末态中得到验证？不同信号之间的交叉污染如何影响发现潜力？

主要发现

• $W'$ 玻色子的质量被约束在 $M_{W'} \approx 1.9$ TeV，与 CMS 的二胶子末态和 $Wh^0$ 异常信号一致。
• $W'$ 耦合常数 $g_R \approx 0.4$–0.5 为优选值，其中较小值更符合 $t\bar{b}$ 共振态限制与 Run 2 数据。
• 在 13 TeV LHC 下，$W'$ 的产生截面预测为 700–900 fb，可在超过 17 种末态中实现探测灵敏度。
• $Z'$ 玻色子的质量预测位于 3.4–4.5 TeV 范围，与当前 LHC 限制一致。
• $W'$ 衰变为 $eN_D$，且 $N_D$ 进一步衰变为 $ejj$、$etb$、$eW$ 和 $\tau jj$ 等模式，产生超过 17 种分支比 ≥1% 的独立末态。
• $Z'$ 玻色子在 9 个主要衰变道中具有较大的分支比，更高质量下还可探测到额外衰变道，使其在 Run 2 中可被探测到。