[论文解读] Early LHC bound on W' boson in the nonuniversal gauge interaction model

Yeong Gyun Kim, Kang Young Lee|arXiv (Cornell University)|May 13, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文利用7 TeV质心系能量的早期LHC数据，研究了轻子与第三代费米子分别具有独立 $SU(2)_l$ 和 $SU(2)_h$ 规范群的非普遍规范相互作用模型中，对重 $W^\prime$ 玻色子质量的直接约束。结果表明，当 $\sin^2\phi \gtrsim 0.3$ 时，LHC的直接约束为 $m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ TeV，该结果与来自CKM矩阵幺正性破坏及味破坏过程的间接约束相容。

ABSTRACT

We study the phenomenology of the heavy charged gauge boson and obtain the lower bounds on its mass with the early LHC data at 7 TeV center-of-mass energy in the nonuniversal gauge interaction model, in which the electroweak SU(2) gauge group depends upon the fermion family. We found that the direct bound on the mass of the $W'$ boson is compatible to the indirect bound with only the early data of the LHC.

研究动机与目标

• 利用7 TeV质心系能量的早期LHC数据，推导 $W^\prime$ 玻色子质量的直接实验约束。
• 研究在规范耦合依赖于费米子族的非普遍规范模型中 $W^\prime$ 玻色子的理论现象学。
• 将LHC的直接约束与来自CKM矩阵幺正性破坏及轻子味破坏过程的间接约束进行比较。
• 评估 $\sin^2\phi$ 与 $m_{W^\prime}$ 参数空间中直接约束与间接约束的相容性。

提出的方法

• 基于 $SU(2)_l \times SU(2)_h \times U(1)_Y$ 规范群，第一代/第二代与第三代表费米子具有不同的耦合。
• 通过一个双二重态标量 $\Sigma$ 实现自发对称性自发破缺，其真空期望值为 $\langle\Sigma\rangle = \text{diag}(u,u)$，从而产生 $W^\prime$ 与 $Z^\prime$ 玻色子。
• $W^\prime$ 质量的表达式为 $m_{W^\prime}^2 = m_0^2 / (\lambda \sin^2\phi \cos^2\phi)$，其中 $m_0 = ev/(2\sin\theta)$ 且 $\lambda = v^2/u^2$。
• 带电流相互作用由 $W^\prime$ 介导，其耦合为 $G^\prime_L = -g/\sqrt{2} \tan\phi$，导致非普遍耦合。
• LHC约束基于 $pp \to \ell\ell\nu$ 最终态中未观测到 $W^\prime$ 信号，以及横向质量分布的分析。
• 间接约束来自CKM矩阵幺正性破坏（$\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$）与轻子味破坏，利用实验对 $\Delta$ 和LFV过程的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非普遍规范模型中，基于7 TeV早期LHC数据，$W^\prime$ 玻色子质量的直接下限是多少？
• RQ2 LHC的直接约束与来自CKM幺正性破坏及轻子味破坏的间接约束相比如何？
• RQ3 $W^\prime$ 质量约束如何依赖于 $SU(2)_l$ 与 $SU(2)_h$ 之间的混合角 $\phi$？
• RQ4 尽管存在 $W^\prime$ 耦合，为何在 $\sin^2\phi$ 较小区域的约束仍然微弱？
• RQ5 早期LHC数据是否已能提供与精确电弱测量及低能味物理数据相竞争的约束？

主要发现

• 基于2010年36 pb$^{-1}$的数据，当 $\sin^2\phi = 0.3$ 时，LHC对 $W^\prime$ 玻色子质量的直接约束为 $m_{W^\prime} \gtrsim 1.5$ TeV。
• 当 $\sin^2\phi > 0.18$ 时，LHC的直接约束与来自CKM幺正性破坏的间接约束相容。
• 在 $\sin^2\phi$ 较小区域，约束显著变弱，原因在于 $pp \to ud \to W^\prime \to \ell\ell\nu$ 过程中 $W^\prime$ 的产生与衰变率被抑制。
• 来自CKM幺正性破坏的间接约束（$\Delta = 2\lambda\sin^4\phi$）比电弱精确测量与低能中性流数据提供的限制更强。
• 通过树图级FCNC过程的轻子味破坏可提供保守的间接约束，尤其在中微子质量不确定时更为重要。
• 由于 $\Sigma$ 的对称真空期望值结构，该模型中 $W^\prime$ 与 $Z^\prime$ 玻色子质量简并，即 $m_{W^\prime} = m_{Z^\prime}$。