[论文解读] Light Z' Bosons at the Tevatron

Matthew R. Buckley, Dan Hooper+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出一种轻量级、对轻子不敏感的Z′规范 boson，其质量约为140–150 GeV，并具有增强的夸克耦合（尤其是b夸克和顶夸克），作为对 Tevatron 实验中三个异常现象的统一解释：W+2 jets末态中3.2σ的过量信号、多b-jet末态中2σ的过量信号，以及顶夸克对产生中的3.4σ前向-后向不对称性。该模型通过轻夸克的适度耦合（gqqZ′ ≈ 0.1–0.3）、b夸克的大耦合（gbbZ′ ≈ 0.7–0.9）以及顶夸克的味破坏耦合（gutZ′ ≈ 0.3–0.8），同时解释了这些信号，同时预测了可探测的暗物质散射截面和湮灭率，与直接探测和原初丰度观测结果一致。

ABSTRACT

New gauge bosons with Standard Model-like couplings to leptons are constrained by collider searches to be heavier than approximately ~1 TeV. A Z' boson with suppressed couplings to leptons, however, could be much lighter and possess substantial couplings to Standard Model quarks. In this article, we consider a new leptophobic Z' gauge boson as a simple and well motivated extension of the Standard Model, and discuss several of its possible signatures at the Tevatron. We find that three of the recent anomalies reported from the Tevatron - in particular the top-quark forward-backward asymmetry and excesses in the 3b and W + 2 jets final states - could be explained by a new Z' with a mass of approximately 150 GeV, relatively large couplings to quarks, and suppressed couplings to electrons and muons. Moreover, we find that such a particle could also mediate the interactions of dark matter, leading to potentially interesting implications for direct detection experiments.

研究动机与目标

• 解释在Tevatron实验中观测到的三个异常信号：W+2 jets末态中3.2σ的过量信号，多b-jet末态中2σ的过量信号，以及高t̄t不变质量下顶夸克对产生中的3.4σ前向-后向不对称性。
• 探讨一种轻量级Z′玻色子在电子和μ子耦合被抑制的条件下是否可行，使其能避开标准LEP和Tevatron实验的约束，即使其质量低于1 TeV。
• 研究是否存在一种特定夸克耦合的单一Z′玻色子，能够同时解释多个独立的异常现象，从而避免引入多个新粒子。
• 考察此类Z′对暗物质理论物理的影响，特别是解释CoGeNT和DAMA/LIBRA实验中直接探测到的信号，并通过热冻结机制实现正确的原初丰度。

提出的方法

• 构建一个对轻子不敏感的Z′模型，其对电子和μ子的耦合被抑制（gllZ′ < 0.04），但对夸克的耦合被增强，特别是对b夸克和顶夸克，以避开基于轻子的对撞机约束。
• 使用有效场论和树图费曼图计算Z′在q̄q → Z′* → q′q̄′、Z′ → bb̄ 和 Z′ → ut̄/tū 等过程中的产生与衰变率。
• 通过拟合W+2 jets和多b-jet末态的不变质量分布，利用在~140–150 GeV处观测到的峰和过量率来约束Z′的质量与耦合参数。
• 通过引入对顶夸克的味破坏耦合g̃utZ′，建模顶夸克前向-后向不对称性，以解释在t̄t不变质量高于450 GeV时观测到的3.4σ偏离。
• 利用Z′作为媒介，计算暗物质与核子的散射截面和湮灭率，假设暗物质为标量或狄拉克费米子，其耦合gDMZ′ ~ 0.1。
• 将预测的暗物质截面（σ ~ 2×10⁻⁴⁰ cm²）和湮灭率（σv ~ 2×10⁻²⁶ cm³/s）与CoGeNT、DAMA/LIBRA实验数据及观测到的暗物质原初丰度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有对轻子抑制耦合的单一轻量级Z′玻色子是否能够解释Tevatron实验中观测到的三个独立异常？
• RQ2 为同时解释W+2 jets、多b-jet和顶夸克前向-后向不对称性过量，Z′所需的质量和夸克耦合参数是什么？
• RQ3 对轻子不敏感的Z′的存在如何影响暗物质直接探测和原初丰度的预测？
• RQ4 LEP和Tevatron数据对具有抑制轻子耦合但大夸克耦合的Z′施加了何种约束？
• RQ5 在t̄t不变质量高于450 GeV时观测到的顶夸克前向-后向不对称性是否与包含顶夸克味破坏耦合的Z′模型一致？

主要发现

• 质量约为140–150 GeV、轻夸克耦合为gqqZ′ ≈ 0.1–0.3的Z′玻色子可解释W+2 jets末态中3.2σ的过量信号，其二夸克对不变质量分布在140–150 GeV处出现峰。
• 同一Z′玻色子若对b夸克具有增强耦合（gbbZ′ ≈ 0.7–0.9），可解释多b-jet末态中2σ的过量信号，预测其中大部分二夸克对为b-jet。
• 质量在120–280 GeV之间、对顶夸克具有味破坏耦合（gutZ′ ≈ 0.3–0.8）的Z′可解释高t̄t不变质量下顶夸克对产生中的3.4σ前向-后向不对称性。
• 该模型预测暗物质-核子弹性散射截面为σ ≈ 2×10⁻⁴⁰ cm²（当gDMZ′ ~ 0.1时），与CoGeNT和DAMA/LIBRA报告的信号一致。
• 同一Z′模型预测的暗物质湮灭截面为σv ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/s，与宇宙学要求的热冻结原初丰度一致。
• 三个异常现象可由一个质量~140–150 GeV、具有大b夸克耦合和中等到大顶夸克耦合的单一Z′玻色子同时解释，无需引入额外的新粒子。