[论文解读] Leptophobic boson signals with leptons, jets and missing energy

Bogdan A. Dobrescu|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 9

一句话总结

本文提出，弱子不耦合的 $Z^\prime$ 玻色子——即不与轻子耦合的规范玻色子——可通过级联衰变产生可探测的 LHC 信号，衰变产物为异常费米子（anomalons），而这些异常费米子是为消除 gauge 异常所必需的新费米子。此类衰变产生包含轻子、喷注与缺失能量的末态，为新物理提供了可行的信号，包括对 CMS 和 ATLAS 异常信号的解释。

ABSTRACT

Color-singlet gauge bosons with renormalizable couplings to quarks but not to leptons must interact with additional fermions ("anomalons") required to cancel the gauge anomalies. Analyzing the decays of such leptophobic bosons into anomalons, I show that they produce final states involving leptons at the LHC. Resonant production of a flavor-universal leptophobic $Z'$ boson leads to cascade decays via anomalons, whose signatures include a leptonically decaying $Z$, missing energy and several jets. A $Z'$ boson that couples to the right-handed quarks of the first and second generations undergoes cascade decays that violate lepton universality and include signals with two leptons and jets, or with a Higgs boson, a lepton, a $W$ and missing energy.

研究动机与目标

• 探索不直接与轻子耦合但通过级联衰变产生富含轻子末态的弱子不耦合 $Z^\prime$ 玻色子的对撞机信号。
• 识别包含异常费米子以消除 gauge 异常、同时与标准模型约束一致的可行 $U(1)$ 规范模型，特别是 $U(1)_B$ 和 $U(1)_{R12}$ 模型。
• 将观测到的 LHC 异常信号（如 ATLAS 的 $Z+\slashed{E}_T+\text{喷注}$ 和 CMS 的 $eejj$、$e\nu jj$）解释为这些 $Z^\prime$ 玻色子通过异常费米子衰变的潜在信号。
• 在 LHC 约束下评估这些模型的理论可行性，特别是关于味改变中性流以及 $b$-夸克标记的影响。

提出的方法

• 构建弱子不耦合 $Z^\prime$ 玻色子的 $U(1)$ 规范模型，其与夸克耦合但不与轻子耦合，通过引入新的矢量型费米子（即异常费米子）实现异常消除。
• 分析级联衰变链：$Z^\prime \to \text{异常费米子对} \to Z/W/H + \text{其他费米子} + \slashed{E}_T$，末态包括 $Z^\ell\ell$、$W\ell\slashed{E}_T$ 或 $h^0\to b\bar{b}$。
• 计算在 LHC 上 $Z^\prime$ 的树幅阶产生截面（例如，$M_{Z^\prime}=2$ TeV 时，8 TeV 能量下约为 140 fb），并计算关键衰变模式的分支比。
• 利用 CMS 和 ATLAS 的实验数据，将预测的信号率（例如，$(Je)(Je)$ 约为 7 fb，$h^0W\to b\bar{b}e\nu$ 约为 2 个事件）与观测到的异常信号进行比较。
• 应用 $b$-标记与喷注合并技术，以区分富含 $b\bar{b}$ 的末态并减少背景，特别是针对增强的 Higgs 衰变。
• 评估 Run II（13 TeV）LHC 数据中信号与背景的比率及其可行性，特别关注 $Z^\prime_{R12}$ 衰变为 $h^0eW\nu$ 的过程，其分支比约为 0.91%。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱子不耦合的 $Z^\prime$ 玻色子（不与轻子耦合）是否能在 LHC 上产生可探测的富含轻子的末态？
• RQ2 哪些在现象学上可行的 $U(1)$ 规范模型包含弱子不耦合的 $Z^\prime$ 玻色子，并通过异常费米子消除 gauge 异常？
• RQ3 $Z^\prime_{R12}$ 模型能否通过涉及带电异常费米子与 $W$ 玻色子的级联衰变，解释 CMS 的 $eejj$ 和 $e\nu jj$ 异常信号？
• RQ4 对于 $Z^\prime_{R12}$ 衰变为 $h^0eW\nu$（其中 $h^0\to b\bar{b}$）的过程，预期的信号率与背景为何？是否可在 Run II 中检验？
• RQ5 $b$-标记与喷注合并技术如何帮助在这些模型中区分富含 $b\bar{b}$ 的信号与 QCD 背景？

主要发现

• $U(1)_B$ 对称性的 $Z^\prime_{B}$ 模型导致级联衰变，产生一个轻子衰变的 $Z$ 玻色子、缺失能量与喷注，可能解释 ATLAS 的 $Z+\slashed{E}_T+\text{喷注}$ 异常信号。
• 当 $M_{Z^\prime}=2$ TeV 且 $g_z \approx 0.5$ 时，$Z^\prime_{R12}$ 模型预测 $(Je)(Je)$ 末态的信号截面约为 7 fb，足以用 20 fb$^{-1}$ 数据解释 CMS 的 $eejj$ 异常信号。
• $Z^\prime_{R12}$ 模型产生 $Z^\prime_{R12} \to h^0 e W \nu$ 衰变模式，分支比约为 0.91%，在 $M_{Z^\prime}=2$ TeV 且 $g_z \approx 0.5$ 条件下可产生约 2 个事件。
• $Z^\prime_{R12}$ 信号中，$h^0\to b\bar{b}$、$e$、$\slashed{E}_T$ 及一个来自增强 $W$ 玻色子的宽喷注，在 1.3–1.7 TeV 范围内的背景约为 1.2 个事件，因此在 Run II 中可被检验。
• 含有 $b\bar{b}$ 喷注的事件比例为 $f_1 \approx 45\%$（单个 $b\bar{b}$）与 $f_2 \approx 15\%$（合并的 $b\bar{b}$），若应用 $b$-标记，可能与 CMS 的观测结果一致。
• $Z^\prime_{R12}$ 模型违反轻子普适性，为 $e$-和 $\mu$-丰富的末态提供非普适的解释，与标准模型预期不同。