[论文解读] Classically conformal B-L extended Standard Model and phenomenology

Yuta Orikasa|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种经典共形的B-L扩展标准模型，其中希格斯势在普朗克尺度下为平坦，通过Coleman-Weinberg机制在TeV尺度实现B-L对称性的辐射性自发破缺。该模型预测存在一个TeV尺度的Z′玻色子、右手中微子以及一个单态希格斯粒子，这些粒子均在大型强子对撞机（LHC）和国际线性对撞机（ILC）的探测范围内，其中Z′玻色子可通过二轻子共振态被发现，且在ILC上即使其质量较大也能实现精确测量。

ABSTRACT

Bardeen has argued that once the classically conformal invariance and its minimal violation by quantum anomalies are imposed on the SM, it can be free from the quadratic divergences and hence the gauge hierarchy problem. Under the hypothesis, We investigated the minimal B-L extended SM with a flat Higgs potential at the Planck scale. In this model, the B-L symmetry is radiatively broken at TeV scale. We studied phenomenology and detectability of the model at LHC and the ILC.

研究动机与目标

• 通过在标准模型中强制实施经典共形对称性并最小化量子异常破坏，以解决规范层次问题。
• 构建一个最小化的B-L扩展标准模型，其在普朗克尺度下希格斯势平坦，从而避免二次发散。
• 研究该模型的物理学现象，特别是Z′玻色子和右手中微子等新粒子在LHC和ILC上的可探测性。
• 证明B-L对称性破缺尺度和希格斯粒子质量可通过Coleman-Weinberg机制自然生成。

提出的方法

• 在普朗克尺度将希格斯四次耦合常数λH和混合耦合常数λ′设为零，以在标准模型中强制实现经典共形对称性。
• 利用Coleman-Weinberg机制生成一个微小的负值λ′(mEW) ≈ −O(10−3)，从而实现U(1)B-L对称性的辐射性破缺。
• 推导出Z′玻色子质量为M = √(m_h² / |λ′|)，由于λ′极小，导致B-L对称性破缺尺度处于TeV量级。
• 利用部分子分布函数（CTEQ5M）计算LHC上二轻子过程的产生截面，并与标准模型背景进行比较，以评估信号显著性。
• 通过计算e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻截面相对于标准模型的偏差，并在角响应范围内积分，评估ILC对Z′耦合的敏感度。
• 利用平坦势假设将B-L规范耦合常数αB-L与Z′质量联系起来，从而为对撞机搜索提供单参数预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不进行微调的情况下，经典共形的B-L扩展标准模型是否能自然生成电弱和B-L对称性破缺尺度？
• RQ2 当Z′玻色子质量为TeV量级且αB-L ≈ 0.01时，其在LHC上通过二轻子共振态的可探测性如何？
• RQ3 即使√s低于Z′共振能区，国际线性对撞机（ILC）是否仍能精确测量Z′的性质（如耦合常数和质量）？
• RQ4 在该模型中，LHC与ILC对Z′玻色子的探测灵敏度如何比较？
• RQ5 单态标量Φ和右手中微子在生成马约拉纳质量以及稳定真空方面起什么作用？

主要发现

• Z′玻色子质量预测约为数TeV，其中M ≈ √(m_h² / |λ′|)且λ′ ≈ −10⁻³，与TeV尺度的对称性破缺尺度一致。
• 在LHC上，100 fb⁻¹的亮度下，当mZ′ = 2.5 TeV且αB-L = 0.008时，二轻子通道中可产生约560个信号事例，远超标准模型背景。
• 基于100 fb⁻¹的5-σ灵敏度，当αB-L ≈ 0.01时，LHC可探测质量高达mZ′ ≲ 5 TeV的Z′玻色子。
• 当√s = 1 TeV时，ILC可探测到e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻截面相对于标准模型的几近百分之一的偏差，对于mZ′高达10 TeV的Z′玻色子，即使√s < mZ′也能实现发现。
• ILC对Z′玻色子的探测灵敏度超过LHC，因为1%偏差的探测范围可延伸至LHC 5-σ极限之外。
• 该模型预测了一个可行的物理现象：在平坦势和辐射对称性破缺的条件下，所有新粒子——包括Z′、右手中微子和单态希格斯粒子——均处于未来对撞机的探测能力范围内。