[论文解读] A Z-prime interpretation of Bd->K*mu+mu- data and consequences for high energy colliders

F. Richard|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文在331模型框架下提出对LHCb实验中B_d → K*μ⁺μ⁻衰变异常的Z′玻色子解释，表明两种不同情形——Z′耦合强度与质量不同——均可解释实验数据。研究显示，通过精确测量费米子末态及Z′-Z混合，高能对撞机如500 GeV的ILC和14 TeV的LHC可探测该模型的结构，其中ILC能唯一区分331模型的关键参数β。

ABSTRACT

In this note, I examine the possible consequences for high energy colliders of a Z-prime interpretation of the LHCb anomaly observed in the K*mu+mu- final state. Two examples are elaborated in the framework of the so-called 331 model. In the first one it is shown that LEP2 provides the tightest lower mass limit for the Z-prime boson, above 8 TeV, while in the second one the lower mass limit is set by ATLAS/CMS to about 3 TeV. It is then shown that precision measurements at ILC 500 GeV can fully explore the underlying structure of the model by measuring the fermion final states separately: leptons, charm, beauty and top final states. Z-prime-Z mixing can also be substantial, thus leading to possible effects almost observable at LEP1 and which can be precisely measured at GigaZ. Discovery prospects for heavy bosons and heavy fermions at LHC are also discussed .

研究动机与目标

• 探究LHCb在B_d → K*μ⁺μ⁻衰变中的异常是否可在331模型中通过Z′玻色子得到解释。
• 评估高能对撞机（LEP2、ILC、LHC）对331模型所预言的Z′及重态粒子的发现潜力。
• 确定ILC是否可通过测量不同末态（轻子、粲夸克、底夸克、顶夸克）唯一确立331模型。
• 评估Z′-Z混合的作用及其在LEP1和GigaZ上的可观测性。
• 比较ATLAS与CMS在不同331情形下（尤其考虑运行耦合效应时）对Z′的探测灵敏度。

提出的方法

• 在331模型中构建两个基准情形：一是Z′耦合较强（β = -√3）且M_Z′ = 7 TeV，二是耦合较弱（β = -2/√3）且M_Z′ = 3.2 TeV。
• 利用331模型的电荷公式Q = T3 + βT8 + X1定义费米子电荷，并确保异常自由。
• 应用LHCb数据、Bs → μ⁺μ⁻及Bs-Bs̄混合的约束，确定Z′对b→s和μ⁺μ⁻的耦合。
• 计算从0.231（SM）到约4 TeV时sin²w的跑动，以评估其对Z′耦合强度的影响。
• 利用部分子级QCD过程（q q̄ → Z′ → μ⁺μ⁻）估算LHC中Z′的产生截面与二轻子分支比。
• 建模Z′-Z混合角及其对Z极点观测量的影响，包括LEP1的AFB(b)及GigaZ的精密测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在331模型中，Z′玻色子能否以现实的耦合与质量一致地解释LHCb在B_d → K*μ⁺μ⁻中的异常？
• RQ2 sin²w的跑动对Z′耦合强度及模型可行性有何影响？
• RQ3 LEP2、ILC与LHC如何互补探测331模型中的Z′及关联重态？
• RQ4 ILC在500 GeV下是否可通过测量不同费米子末态唯一确定331模型的β参数？
• RQ5 Z′-Z混合在LEP1上在多大程度上可被观测，且在GigaZ上能否被精确测量？这揭示了关于模型的哪些信息？

主要发现

• 情形1（β = -√3，M_Z′ = 7 TeV）被LEP2排除，其Z′质量下限为8 TeV。
• 情形2（β = -2/√3，M_Z′ = 3.2 TeV）与LHC约束一致，可在14 TeV LHC上被发现，其分支比可达SM Z′的3倍以上。
• ILC在500 GeV下可通过测量不同末态（轻子、c夸克、b夸克、t夸克）明确确立331模型，从而精确确定β参数。
• Z′-Z混合显著，可能已在LEP1被观测到；GigaZ可高精度测量混合角，验证模型并解决AFB(b)异常。
• 预测了带电Higgs玻色子（H±）的质量分别为2.2 TeV（情形1）和2.14 TeV（情形2），可在高能对撞机中探测。
• sin²w的跑动在情形1中显著增强Z′耦合强度，使其除非通过跑动效应修正则与LHCb数据不一致，这促使采用情形2。