[论文解读] Top forward-backward asymmetry in chiral U(1)' models

Pyungwon Ko, Yuji Omura+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2012

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

一句话总结

该论文提出一个现实的手征U(1)'模型，其中Z'玻色子仅与右手中性上型夸克耦合，通过引入味依赖的Higgs双生子和异常抵消费米子，该模型利用Z'与Higgs玻色子贡献之间的破坏性干涉，解释了Tevatron的顶夸克正向-反向不对称性，同时避开了LHC对同号顶对产生的严格约束。

ABSTRACT

We construct flavor-dependent chiral U(1)' models with a Z' boson which couples to the right-handed up-type quarks in the standard model (SM). To make the models have realistic renormalizable Yukawa couplings, we introduce new Higgs doublets with nonzero U(1)' charges. Anomaly-free condition can be satisfied by adding extra chiral fermions. We show that these models could analyze the discrepancy between the SM prediction and empirical data in the top forward-backward asymmetry at the Tevatron.

研究动机与目标

• 解决标准模型预测与Tevatron顶夸克正向-反向不对称性数据之间长期存在的差异（A_FB ≈ 0.21 对比 SM 的 0.072）。
• 通过引入带有U(1)'电荷的新型Higgs双生子，构建具有可重整化Yukawa耦合的现实模型。
• 通过额外的轴向费米子确保规范异常抵消，同时保持味依赖的耦合。
• 解释Z'与Higgs玻色子干涉如何抑制LHC中的同号顶对产生，从而避开LHC约束。
• 提供一个在顶夸克 sector 中实现味改变中性流的可行框架，且不违反实验限制。

提出的方法

• 假设一个手征U(1)'对称性，其中右手中性上型夸克带有该对称性电荷，而其他夸克保持中性。
• 引入带有U(1)'电荷 −u_i 的额外Higgs双生子，以实现上型夸克的可重整化Yukawa耦合。
• 使用双酉旋转矩阵 (R^u) 对上夸克质量矩阵进行对角化，从而产生味非对角耦合 (g_R^u)_{ij}。
• 构建Z'相互作用的拉格朗日量：𝒟 = g'Z'^μ (g_R^u)_{ij} ū_R^i γ_μ u_R^j，允许味改变中性流。
• 引入Higgs玻色子的Yukawa相互作用：𝒟 = −Y_ij^u ū_L^i u_R^j h + iY_ij^a ū_L^i u_R^j a + h.c.，具有非对角耦合。
• 通过额外费米子（如新夸克世代、SU(2)双生子或SU(3)三重态）实现规范异常抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有味依赖Z'耦合至右手中性上型夸克的现实手征U(1)'模型，能否解释Tevatron的顶夸克正向-反向不对称性？
• RQ2 带有U(1)'电荷的额外Higgs双生子如何影响Yukawa耦合及顶夸克产生现象学？
• RQ3 Z'与Higgs玻色子贡献之间的破坏性干涉在多大程度上可抑制LHC中的同号顶对产生？
• RQ4 Z'质量、Higgs质量及Yukawa耦合的可行参数区域为何，能同时满足Tevatron与LHC约束？
• RQ5 该模型能否同时满足顶夸克衰变分支比限制与tt̄产生截面测量？

主要发现

• 该模型在轻子+喷注道中实现了 A_FB ≈ 0.158 ± 0.075 的顶夸克正向-反向不对称性，与CDF数据一致。
• Z'与Higgs玻色子贡献之间的破坏性干涉将同号顶对产生截面降低至 σ(tt) < 17 pb，满足CMS约束。
• 允许的参数区域要求 0.005 < α_x < 0.014，其中 α_x ≡ (g' (g_R^u)_{ut})² / (4π)，且 0.75 < Y_tu < 1.3，0.9 < Y_tu^a < 1.5。
• Higgs质量被限制在 180 GeV < m_h < 250 GeV，而 m_a 在 180–1000 GeV 范围内无约束。
• 该模型预测显著的味改变耦合 Y_tu^a ≈ 1.1，与非-Wb衰变模式的5%顶夸克衰变分支比限制一致。
• SM的NLO贡献约7%至A_FB未被包含，表明若加入该项，模型贡献可能进一步增强。