[论文解读] Decays $Z' o \gamma \gamma \gamma$ and $Z o \gamma \gamma \gamma$ in the minimal 331 model

J. Montaño, M. A. Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了在最小331模型中，$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 和 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 的稀有衰变过程，该模型是标准模型的一个可重整化扩展，其规范群为 $\text{SU(3)}_L \times \text{U(1)}_X$。通过涉及奇异夸克和规范玻色子的一圈计算，发现 $Z'$ 衰变到三个光子的分支比达到 $\sim 10^{-6}$，约为标准模型中 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变的1,000倍，凸显了该过程作为大型强子对撞机（LHC）新物理信号的潜力。

ABSTRACT

The possibility of a significant effect of exotic particles on the Z'->\gamma\gamma\gamma{} and Z->\gamma\gamma\gamma{} decays is investigated in the context of the minimal 331 model. This model, which is based in the SU_C(3)xSU_L(3)xU_X(1) gauge group, predicts the existence of many exotic charged particles that can significantly enhance the decay widths. It is found that the standard model prediction for the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay remains essentially unchanged, as the new physics effects quickly decouples. On the other hand, it is found that the contributions of the new exotic quarks and gauge bosons predicted by this model lead to a branching fraction for the Z'->\gamma\gamma\gamma{} decay of about 10^(-6), which is about three orders of magnitude larger than that of the Z->\gamma\gamma\gamma{} decay.

研究动机与目标

• 研究最小331模型所预测的奇异粒子对稀有衰变 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 及其标准模型对应过程 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 的影响。
• 评估奇异夸克和规范玻色子的新物理贡献是否显著增强 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的衰变宽度，相较于标准模型的预测。
• 评估在大型强子对撞机（LHC）上观测 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的现象学可行性，因其分支比显著增强。

提出的方法

• 采用费曼图的一圈计算方法，计算最小331模型中 $V^0 \to \gamma\gamma\gamma$（$V^0 = Z, Z'$）的衰变振幅。
• 计算包括来自虚粒子的贡献：带电和双带电规范玻色子（$Y^\pm, Y^{\pm\pm}$）、奇异夸克以及带电希格斯玻色子。
• 使用 Passarino-Veltman 的标量和张量函数（$B_0, C_0, D_0$）对圈积分进行解析计算。
• 该模型的规范结构基于 $\text{SU(3)}_C \times \text{SU(3)}_L \times \text{U(1)}_X$，在TeV量级发生自发对称性自发破缺。
• 分析假设 $Z'$ 的质量接近TeV量级，并采用包含一个三重态和一个六重态的最小331希格斯结构来实现对称性破缺。
• 通过将 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的部分宽度与 $Z'$ 的总衰变宽度进行比较，计算分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 最小331模型是否显著增强 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的衰变宽度，相较于标准模型的预测？
• RQ2 奇异夸克和带电规范玻色子在一圈图水平上如何介导 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变？
• RQ3 在相同模型中，$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的分支比与 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 相比如何？
• RQ4 由于其增强的衰变率，$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变是否可在大型强子对撞机（LHC）上作为可观测信号？
• RQ5 331模型中的新物理贡献是否在高能下发生衰减，还是在TeV量级仍保持显著？

主要发现

• 在最小331模型中，$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 的分支比估计约为 $10^{-6}$，比标准模型中 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 的预测高出约三个数量级。
• 在331模型中，标准模型中 $Z \to \gamma\gamma\gamma$ 的衰变宽度基本保持不变，因为新物理效应随能量尺度增加而迅速衰减。
• 奇异夸克和带电规范玻色子（$Y^\pm, Y^{\pm\pm}$）是 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变振幅在一圈图水平下的主要贡献者。
• 与费米子和矢量玻色子相比，带电希格斯玻色子对 $Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变的贡献可忽略不计。
• 由于存在大量具有非标准量子数的奇异粒子，该模型显著增强了 $Z'$ 衰变到三个光子的宽度。
• 由于其相对于标准模型的分支比显著增强，$Z' \to \gamma\gamma\gamma$ 衰变被识别为在大型强子对撞机（LHC）上可能可观测的信号。