[논문 리뷰] Simple Non-Abelian Extensions and Diboson Excesses at the LHC

Qing-Hong Cao, Bin Yan외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 2 TeV 이중보손 초과 현상을 설명하기 위해 표준모형의 비아벨 확장인 G(221) 및 G(331)을 조사한다. $W'$ 및 $Z'$의 렙톤과 이중제트로의 붕괴에 의해 초래되는 엄격한 제약 조건이 타당한 매개변수 공간을 심각하게 제한하며, $W^+W^-$ 초과 현상이 배경 변동일 경우 왼쪽-오른쪽 대칭 및 렙톤을 피하는 모델이 $WZ$ 초과 현상을 일관되게 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The ATLAS collaboration reported excesses at around 2 TeV in the di-boson production decaying into hadronic final states. We consider the possibility of explaining the excesses with extra gauge bosons in two simple non-Abelian extensions of the Standard Model. One is the so-called $G(221)$ models with a symmetry structure of $SU(2)_1\otimes SU(2)_2\otimes U(1)_X$ and the other is the $G(331)$ models with an extended symmetry of $SU(3)_C\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$. The $W'$ and $Z'$ bosons emerge after the electroweak symmetry is spontaneously broken. Two patterns of symmetry breaking in the $G(221)$ models are considered in this work: one is $SU(2)_L\otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X o SU(2)_L\otimes U(1)_Y$, the other is $SU(2)_1\otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_Y o SU(2)_L\otimes U(1)_Y$. The symmetry breaking of the $G(331)$ model is $SU(3)_L\otimes U(1)_X o SU(2)_L \otimes U(1)_Y$. We perform a global analysis of $W^\prime$ and $Z^\prime$ phenomenology in ten new physics models, including all the channels of $W^\prime/Z^\prime$ decay. Our study shows that the leptonic mode and the dijet mode of $W^\prime/Z^\prime$ decays impose a very stringent bound on the parameter space in several new physics models. Such tight bounds provide a useful guide for building new physics models to address on the diboson anomalies. We also note that the Left-Right and Lepton-Phobic models can explain the $3.4\sigma$ $WZ$ excess if the $2.6\sigma$ deviation in the $W^+W^-$ pair around 2~TeV were confirmed to be a fluctuation of the SM backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 비아벨 확장에서 새로운 게이지 보손을 통해 ATLAS 이중보손 최종 상태에서 관측된 2 TeV 이중보손 초과 현상을 설명하기 위해.
• 모든 붕괴 채널을 포함한 10개의 새로운 물리 모델에서 $W'$ 및 $Z'$ 보손의 현상학을 분석하기 위해.
• 다양한 대칭 깨짐 패턴 하에서 $G(221)$ 및 $G(331}$ 모델이 이중보손 비정상 현상에 적합한지 평가하기 위해.
• $W'$ 및 $Z'$의 렙톤과 이중제트로의 붕괴로부터 유도된 엄격한 경계를 사용하여 모델 매개변수에 제약을 가하기 위해.
• 만약 $W^+W^-$ 초과 현상이 통계적 변동이라면, 왼쪽-오른쪽 및 렙톤을 피하는 모델이 동시에 $WZ$ 초과 현상과 $W^+W^-$ 초과 현상을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 게이지 군 $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X$를 갖는 $G(221)$ 모델을 구축하고, 두 가지 다른 대칭 깨짐 패턴인 $SU(2)_L \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ 및 $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$를 분석하기 위해.
• 게이지 군 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$를 갖는 $G(331}$ 모델을 분석하고, $SU(2)_L \otimes U(1)_Y$로의 대칭 깨짐을 고려하기 위해.
• 모든 붕괴 채널(렙톤, 이중제트, 이중보손 최종 상태 포함)을 포함한 10개의 새로운 물리 모델에서 $W'$ 및 $Z'$ 현상학의 종합적 분석을 수행하기 위해.
• 특히 $W'$ 및 $Z'$의 이중제트 및 렙톤으로의 붕괴에 기반한 실험적 제약 조건을 적용하여 모델 매개변수에 대한 엄격한 경계를 도출하기 위해.
• 만약 2 TeV에서의 $W^+W^-$ 초과 현상이 통계적 변동이라면, 왼쪽-오른쪽 및 렙톤을 피하는 모델이 $WZ$ 초과 현상과 일치하는지 평가하기 위해.
• 주요 입력으로서 $WZ$ 초과 현상의 $3.4\sigma$ 유의수준과 $W^+W^-$에서의 $2.6\sigma$ 이격을 사용하여 모델의 일관성을 시험하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 가지 다른 대칭 깨짐 패턴을 가진 $G(221}$ 모델이 ATLAS에서 관측된 2 TeV 이중보손 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $W'$ 및 $Z'$의 이중제트 및 렙톤으로의 붕괴는 $G(221}$ 및 $G(331}$ 모델의 매개변수 공간에 얼마나 강력한 제약을 가하는가?
• RQ3 만약 $W^+W^-$ 초과 현상이 배경 변동이라면, 왼쪽-오른쪽 및 렙톤을 피하는 모델이 동시에 $WZ$ 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 $W'$ 및 $Z'$ 붕괴로부터의 현상학적 제약은 비아벨 확장의 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 대칭 깨짐 패턴은 $G(221}$ 모델에서 $W'$ 및 $Z'$ 현상학을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• $W'$ 및 $Z'$의 렙톤 및 이중제트 붕괴 모드는 여러 새로운 물리 모델의 매개변수 공간에 매우 엄격한 제약을 가한다.
• $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$로의 대칭 깨짐 패턴을 가진 $G(221}$ 모델은 $W'$ 및 $Z'$ 붕괴 데이터에 의해 특히 강하게 제약을 받는다.
• $SU(3)_L \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$로의 대칭 깨짐을 가진 $G(331}$ 모델 역시 $W'$ 및 $Z'$ 붕괴 채널로 인해 강력한 제약을 받는다.
• 만약 2 TeV에서의 $2.6\sigma$ $W^+W^-$ 이격이 통계적 변동으로 확인된다면, 왼쪽-오른쪽 및 렙톤을 피하는 모델은 $3.4\sigma$ $WZ$ 초과 현상을 설명할 수 있다.
• $W'$ 및 $Z'$ 붕괴로부터의 엄격한 경계는 이중보손 비정상 현상을 설명하기 위한 타당한 모델을 구성하는 데 중요한 지침을 제공한다.
• 10개 모델에 대한 종합 분석은 $W'$ 및 $Z'$의 이중제트 및 렙톤으로의 붕괴가 2 TeV 스케일에서 새로운 물리 현상을 탐지하는 데 가장 민감한 탐사 수단임을 확인한다.