[论文解读] Phenomenology of the minimal B-L extension of the Standard Model at the LHC

L. Basso|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 93被引用 30

一句话总结

本文研究了标准模型的最小B-L扩展，引入一个Z′规范玻色子和重的右手中微子以解释中微子质量。分析了大型强子对撞机（LHC）的发现潜力，表明Z′主要衰变为轻子，并可通过长寿命的重中微子产生位移顶点，三轻子末态在14 TeV LHC下成为关键发现通道。

ABSTRACT

A well-motivated framework to naturally introduce neutrino masses is the B-L model, a U(1) extension of the standard model related to the baryon minus lepton gauged number. Besides three right-handed neutrinos, that are included to cancel the anomalies (thereby naturally providing neutrino masses), this model also encompasses a complex scalar for the spontaneous symmetry breaking of the extended gauge sector and to give mass to the Z' boson. We present the phenomenology, the discovery potential at the LHC, and the most up-to-date experimental and theoretical limits of the new particles in this model.

研究动机与目标

• 探讨标准模型的最小B-L扩展的唯象学影响，该扩展通过引入U(1)_{B-L}规范对称性来自然生成中微子质量。
• 评估LHC和Tevatron中Z′玻色子和重中微子的发现潜力，重点关注产生截面、分支比和衰变末态特征。
• 利用幺正性约束和标量 sector 的跑动方程（RGEs）推导理论约束。
• 分析来自长寿命重中微子的多轻子末态和位移顶点信号，特别是Z′ → νhνh衰变道。
• 全面呈现三轻子末态（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）在部分子层次和探测器层次的分析，作为LHC的关键发现通道。

提出的方法

• 构建一个最小的U(1)_{B-L}扩展标准模型，包含三个右手中微子、一个复标量场以实现规范对称性自发破缺，以及一个Z′规范玻色子。
• 应用 seesaw 机制，通过与重右手中微子混合生成轻中微子质量。
• 利用QCD和电弱耦合计算Z′玻色子的产生截面和分支比，主要衰变为轻子。
• 在LHC（√s = 7 和 14 TeV）和Tevatron上进行详细的发现能力研究，使用显著性图和实验排除极限。
• 通过研究两个标量场之间的混合分析希格斯 sector，并利用幺正性和RGEs推导约束条件。
• 对三轻子末态（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）进行部分子层次和探测器层次的模拟，包括探测器分辨率效应和运动学重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC中，最小B-L模型下Z′玻色子的产生截面和分支比是多少？
• RQ2 LEP和Tevatron的实验约束如何限制Z′玻色子的参数空间？
• RQ3 该模型中的重中微子是否可能具有长寿命并在探测器中产生位移顶点？
• RQ4 在LHC中，Z′玻色子发现的主要末态是什么，特别是涉及多轻子和中微子末态的情况？
• RQ5 幺正性和跑动方程对标量 sector 的理论约束是什么？

主要发现

• Z′玻色子主要耦合至轻子，分支比倾向于ℓ⁺ℓ⁻和νℓ末态，尤其在M_{Z′} < 1 TeV时更为显著。
• 在√s = 14 TeV LHC下，当M_{Z′} ≈ 1.5 TeV且g′₁ ≈ 0.2时，仅需30 fb⁻¹积分亮度即可发现Z′玻色子。
• 重中微子可能具有长寿命，产生长达数厘米的衰变长度，从而在多轻子末态中显著增强可探测性。
• 三轻子末态（Z′ → ℓ⁺ℓ⁻νh）提供了一个清晰的发现通道，在14 TeV LHC下对M_{Z′} ≈ 1.5 TeV具有显著的信号显著性。
• 来自幺正性和RGEs的理论约束限制了参数空间，特别是限制了Z′质量与规范耦合，以保持理论的微扰性。
• 希格斯玻色子混合导致Z′与重中微子参与的新产生机制，其在LHC中具有独特信号，尤其在多轻子和缺失能量末态中。