[论文解读] A Z' Boson and the Higgs Boson Mass

Michael S. Chanowitz|ArXiv.org|Jun 5, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文研究了来自标准模型 $U(1)_X$ 规范扩展的 $Z^\prime$ 玻色子对电弱拟合及预测的希格斯玻色子质量的影响。通过 $Z$–$Z^\prime$ 混合，$Z^\prime$ 抵消了重希格斯导致的负 $\rho$-参数偏移，从而提升了 $m_H$ 的预测值，解决了标准模型拟合与 LEP II 直接极限之间的张力。关键结果表明，具有 $Y$-顺序耦合的 $Z^\prime$ 可在排除强子不对称性不确定性的情况下，使 $m_H$ 预测值与 114 GeV 的下限一致。

ABSTRACT

The Standard Model fit prefers values of the Higgs boson mass that are below the 114 GeV direct lower limit from LEP II. The discrepancy is acute if the 3.2 sigma disagreement for the effective weak interaction mixing angle from the two most precise measurements is attributed to underestimated systematic error. In that case the data suggests new physics to raise the predicted value of the Higgs mass. One of the simplest possibilities is a Z' boson, which would generically increase the prediction for the Higgs mass as a result of Z-Z' mixing. We explore the effect of Z-Z' mixing on the Higgs mass prediction, using both the full data set and the reduced data set that omits the hadronic asymmetry measurements of the weak mixing angle, which are more likely than the leptonic asymmetry measurements to have underestimated systematic uncertainty.

研究动机与目标

• 解决 $A_{LR}$ 与 $A_{FB}^b$ 测量之间在有效轻子弱混合角 $\sin^2\theta_W^{\rm eff}$ 上持续存在的 $3.2\sigma$ 差异，该差异削弱了标准模型拟合。
• 解决当排除强子不对称性时，标准模型对 $m_H \approx 50$ GeV 的预测与 LEP II 直接下限 114 GeV 之间的张力。
• 探讨来自具有 $Z$–$Z^\prime$ 混合的 $U(1)_X$ 扩展的 $Z^\prime$ 玻色子是否能将预测的 $m_H$ 提升至与 LEP II 限制一致。
• 在更新的 LEP II 和 CDF 约束下，评估 $Y$-顺序 $Z^\prime$ 耦合的 $Z^\prime$ 模型的可行性。

提出的方法

• 构建一个通过重标准模型单重希格斯 $H^\prime$ 生成 $Z$–$Z^\prime$ 混合的 $Z^\prime$ 模型，确保异常消除和 $Q_X$-电荷量化。
• 在完整电弱精度拟合中实现 $Z^\prime$ 模型，使用完整的 EWWG 数据集，包含完整的实验相关性，并采用 ZFITTER 进行辐射修正。
• 应用来自 LEP II 的新物理接触相互作用约束以及 CDF 对 $Z^\prime$ 产生的限制，这些限制在参数空间的某些区域强于电弱精度约束。
• 推导出的斜率参数表示 $S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$，$T^\prime = -T_X$，表明 $Z^\prime$ 模型与标准斜率修正完全等价。
• 在包含和不包含强子不对称性测量的情况下进行拟合，以评估 $A_{FB}^b$ 系统不确定性的影响。
• 使用贝叶斯分析比较模型与数据集 A（包含强子不对称性）和 B（不包含）的兼容性，评估 LHC 的可测试性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 $Y$-顺序耦合的 $Z^\prime$ 玻色子能否解决标准模型拟合预测的 $m_H \approx 50$ GeV 与 LEP II 直接下限 114 GeV 之间的张力？
• RQ2 $Z$–$Z^\prime$ 混合如何影响 $\rho$ 参数和预测的希格斯质量？它能否抵消重希格斯导致的负 $\rho$-偏移？
• RQ3 在小 $Z^\prime$ 耦合区域，CDF 和 LEP II 对 $Z^\prime$ 产生的约束是否强于电弱精度约束？
• RQ4 未来 LHC 数据能否区分 $Z^\prime$ 模型与标准模型，特别是在对不同数据子集进行贝叶斯拟合的背景下？

主要发现

• 具有 $Y$-顺序耦合的 $Z^\prime$ 模型通过 $Z$–$Z^\prime$ 混合提升了预测的 $m_H$，该机制增加了 $\rho$ 参数，并抵消了重希格斯导致的负 $\rho$-偏移。
• 当从拟合中排除强子不对称性测量时，$m_H$ 的预测值上升至 $m_H \approx 50$ GeV，且仅有 3% 的概率超过 114 GeV，表明需要新物理机制来提升 $m_H$。
• 具有 $Y$-顺序耦合的 $Z^\prime$ 模型与数据集 B（不包含强子不对称性）的贝叶斯拟合兼容，但与数据集 A（包含强子不对称性）不兼容，表明存在依赖于模型的数据集偏好。
• 斜率参数表示 $S^\prime = 4(1-x_W)T^\prime$，$T^\prime = -T_X$ 精确再现了 $Z^\prime$ 模型对 $\sin^2\theta_W^{\rm eff}$、$m_W$ 和 $\Gamma_Z$ 的影响，验证了该类模型可使用斜率修正进行建模。
• 在小 $Z^\prime$ 耦合区域，CDF 对 $Z^\prime$ 产生的约束强于 LEP II 的限制，尤其对 $Y$-顺序模型而言。
• LHC 可能能区分数据集 A 和 B：若发现一个 300 GeV 的希格斯玻色子和一个 $Y$-顺序 $Z^\prime$，将更支持数据集 B 和 $Z^\prime$ 模型。