[论文解读] LHC Constraints on 3-3-1 Models

Camilo Salazar, Richard H. Benavides+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 47被引用 5

一句话总结

本文利用ATLAS双轻子数据，对多种3-3-1模型及$E_6$-启发模型中的$Z^\prime$玻色子质量施加了95%置信水平的下限，将约束外推至14、30和100 TeV。该研究首次系统报告了无奇异轻子电荷的3-3-1模型中$Z^\prime$玻色子的矢量和轴向耦合，为LHC上区分不同模型提供了改进手段。

ABSTRACT

The ATLAS detector data on di-lepton production is used in order to impose constraints on $Z^\prime$ boson masses associated with a variety of 3-3-1 and $E_6$ motivated $Z'$ models. Lower mass bounds for the different models are established at $95\%$ confidence level. Our numerical analysis is extrapolated up to 14~TeV, and further to 30~TeV and 100~TeV, for a broad range of luminosities. Some of our results can be compared with the ATLAS published bounds, being, for those cases, in fairly good agreement. We also report the vector and axial charges for all the 3-3-1-motivated $Z'$ models without exotic electric charges for leptons, known in the literature. To the best of our knowledge most of this charges were not reported before.

研究动机与目标

• 利用ATLAS双轻子数据约束3-3-1和$E_6$-启发模型中的$Z^\prime$玻色子质量。
• 将LHC约束扩展至更高质心能量（14、30和100 TeV）及不同亮度。
• 计算并报告无奇异电荷的3-3-1模型中$Z^\prime$玻色子对SM费米子的矢量和轴向耦合（$g_{2V}, g_{2A}$）——此前文献中尚未报道。
• 评估在不同$Z^\prime$模型中，LHC双轻子数据与味改变中性流（FCNC）哪类约束在排除参数空间方面占主导地位。

提出的方法

• 分析ATLAS双轻子产生数据，提取95%置信水平下$Z^\prime$质量的限制。
• 利用理论标度和亮度依赖的灵敏度估计，将结果外推至更高能量（14、30、100 TeV）。
• 通过具有$SU(3)_L \otimes U(1)_X$规范对称性的3-3-1模型的群论分析，推导$Z^\prime$对SM费米子的耦合。
• 使用$\delta$-参数化方法表达耦合强度，计算每个模型中所有费米子种类的矢量（$g_{2V}$）和轴向（$g_{2A}$）耦合。
• 将模型预测与已发表的ATLAS限制进行比较，以验证分析框架的正确性。
• 根据费米子内容和电荷分配，将3-3-1模型分类为不同类别（A–H），并为每一类提供独立的耦合表。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于ATLAS双轻子数据，各种3-3-1和$E_6$-启发模型中$Z^\prime$质量的95%置信水平下限是多少？
• RQ2 这些约束如何随质心能量和亮度的增加而变化，最高至100 TeV？
• RQ3 在无奇异电荷的3-3-1模型中，$Z^\prime$玻色子对SM费米子的矢量和轴向耦合是多少？
• RQ4 在不同$Z^\prime$模型中，哪类约束——LHC双轻子数据还是FCNC——在排除参数空间方面占主导地位？

主要发现

• 本文为多个3-3-1和$E_6$-启发模型建立了新的95%置信水平$Z^\prime$质量下限，结果在重叠情况下与已发表的ATLAS限制一致。
• 对于最小3-3-1模型（Pleitez-Frampton），在14 TeV高亮度条件下，$Z^\prime$质量限制约为3.5 TeV，且随能量和亮度增加而提高。
• 首次报告了无奇异电荷的3-3-1模型中所有$Z^\prime$玻色子的矢量和轴向耦合（$g_{2V}, g_{2A}$），具体表达式列于表1至表12中。
• 模型H具有非统一的$Z^\prime$耦合模式，其耦合与$\sqrt{1-4\sin^2\theta_W}$相关，展现出独特结构，可能在高能LHC运行中被区分。
• 分析表明，对于$\delta$-参数值较大的模型，当$Z^\prime$质量低于5 TeV时，LHC双轻子通道提供的约束强于FCNC。
• 结果表明，模型D、E和F中的$Z^\prime$耦合表现出显著的味非统一性，未来高精度LHC测量可能探测到这一现象。