[论文解读] Dijet and electroweak limits on a $Z'$ boson coupled to quarks

Bogdan A. Dobrescu, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用 5

一句话总结

本文更新了LHC二胶子共振态极限以及与夸克耦合的$Z'$规范 boson在电弱精确测量方面的约束，将耦合-质量平面分析范围从5 GeV扩展至5 TeV。通过涉及异常子质量的圈修正，计算了$Z'_B$与SM的$Z$/$\gamma$规范 boson之间的动能混合，并结合电弱精确测量、$\Upsilon$衰变和LEP数据，得出了严格的低质量极限，表明当$M_{Z'} \lesssim 1$ TeV时，$Z'_B$耦合常数被限制在$g_B \lesssim 0.1$以内。

ABSTRACT

An insightful way of presenting the LHC limits on dijet resonances is the coupling-mass plot for a $Z'$ boson that has flavor-independent quark interactions. This also illustrates the comparison of low-mass LHC sensitivity with constraints on the flavor-independent $Z'$ boson from electroweak and quarkonium measurements. To derive these constraints, we compute the $Z'$ mixing with the $Z$, the photon, and the $Υ$ meson, emphasizing the logarithmic dependence on the masses of the new electroweak-charged fermions (``anomalons") required to cancel the gauge anomalies. We update the coupling-mass plot, extending it for $Z'$ masses from 5 GeV to 5 TeV.

研究动机与目标

• 更新并扩展从5 GeV到5 TeV质量范围内的、具有味对角、与夸克耦合的$Z'$规范 boson的耦合-质量平面约束。
• 通过涉及异常子场的圈修正，在最小$U(1)_B$模型中计算$Z'_B$与SM的$Z$/$\gamma$规范 boson之间的动能混合。
• 结合LHC二胶子共振搜索、电弱精确测量、$\Upsilon$介子衰变和LEP约束，推导出对$Z'_B$耦合的全面限制。
• 量化异常子质量在介导$Z'_B$与$Z$和光子之间混合的作用，特别是在$M_{Z'} < M_Z$时的情形。
• 通过识别$Z'_B$参数空间中的探测灵敏度盲区与现象学约束，为未来对撞机搜索提供基准参考。

提出的方法

• 构建一个$Z'_B$的拉格朗日量，其对左手和右手夸克的耦合常数与重子数成正比（1/3），确保其具有轻子不感性。
• 在NLO QCD下计算$Z'_B$的产生与衰变宽度，其主要衰变模式取决于质量，分别为$jj$或$t\bar{t}$。
• 通过包含费米子圈图的一圈图计算$Z'_B$与SM的$Z$/$\gamma$之间的动能混合，采用维度正则化和$\overline{\text{MS}}$方案。
• 推导出有限的混合系数$\kappa_Z \propto \sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$，其中$\mathcal{F}$编码了圈动量与质量依赖关系。
• 应用来自电弱精确测量、$\Upsilon$介子衰变（$\Upsilon \to Z'_B \gamma$）、直接$q\bar{q}$共振态搜索以及LEP对带电异常子的限制。
• 利用正交性条件$\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) = 0$来消除发散项，确保混合振幅的有限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在从5 GeV到5 TeV的全质量范围内，LHC二胶子共振态对$Z'_B$规范 boson的最新限制是什么？
• RQ2 在紫外完成理论中，$Z'_B$与SM的$Z$/$\gamma$规范 boson之间的动能混合如何依赖于异常子场的质量？
• RQ3 在低$M_{Z'}$时，来自电弱精确测量、$\Upsilon$衰变和LEP数据的$Z'_B$耦合最强约束是什么？
• RQ4 QCD二胶子搜索、$Z'_B$介导的$Z \to Z'_B \gamma$衰变以及$t\bar{t}$阈值如何共同塑造允许的参数空间？
• RQ5 低质量$Z'_B$模型的约束在多大程度上超越或补充了高能二胶子搜索的约束？

主要发现

• $Z'_B$的耦合-质量平面已更新并扩展至5 TeV，显示在约1 TeV以上时，LHC二胶子共振搜索主导了探测灵敏度。
• 当$M_{Z'} \lesssim 1$ TeV时，电弱精确测量约束和$\Upsilon$介子衰变提供的限制强于二胶子搜索，且在$M_{Z'} \sim 1$ TeV时，$g_B \lesssim 0.1$。
• 动能混合$\kappa_Z$是有限的，且与$\sum_f N_f (g_L^f z_L^f + g_R^f z_R^f) \mathcal{F}(m_f^2/p^2)$成正比，其中$\mathcal{F}$捕捉了圈动量与质量依赖关系。
• $\Upsilon \to Z'_B \gamma$衰变模式对$M_{Z'} \lesssim M_\Upsilon$的情形提供了强有力的约束，尤其当$Z'_B$质量轻于$Z$玻色子时。
• LEP对带电异常子的限制以及$Z \to Z'_B \gamma$的异常衰变进一步约束了$Z'_B$耦合，特别是在5–100 GeV质量范围内。
• 在$M_{Z'}/2$以下具有异常子质量的最小$Z'_B$模型会导致显著的混合效应，使得低质量$Z'_B$现象学对紫外完成细节高度敏感。