[论文解读] Present and Future sensitivity to a Z-prime

F. Richard|ArXiv.org|Mar 13, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在Z共振能区，各种新物理模型（包括E6、通用额外维度、小希格斯及BESS）产生的假设Z′玻色子对精确电弱测量的敏感性。结果表明，Z–Z′混合会在Z玻色子可观测量中引起可测量的偏移，从而实现对LEP/SLD及未来GigaZ直线对撞机中Z′的间接探测。这些对撞机可高精度测定Z′的矢量和轴向耦合，进而约束电弱对称性自发破缺的起源，并指导大型强子对撞机（LHC）的物理研究。

ABSTRACT

Various extensions of the Standard Model, i.e. string inspired groups like E_6, extra dimensions, 'deconstruction', predict additional vector bosons. In most cases these bosons can mix with the SM Z and this translates into a very high sensitivity of precision measurements which can be performed at the Z resonance. This aspect will be illustrated using SLD/LEP data and the possible impact on the Higgs boson mass indirect determination. An extrapolation to the accuracies which could be reached at FLC will be discussed. With accuracies available at GigaZ it will become possible to elucidate the origin the Z' and the symmetry breaking mechanism responsible for the mixing. Two examples show the possible impact of FLC on the LHC program.

研究动机与目标

• 评估LEP/SLD的精确测量对各种新物理模型中产生的Z′玻色子的间接敏感性。
• 评估Z–Z′混合如何影响Z共振能区的电弱可观测量，并实现间接探测。
• 预测未来GigaZ直线对撞机（FLC）对Z′耦合与质量参数的探测能力。
• 探讨Z′探测对LHC计划的影响及对潜在信号的解释意义。
• 确定Z′效应是否可能在间接Higgs质量测定中掩盖或模拟一个重Higgs玻色子。

提出的方法

• 利用有效场论推导的Z–Z′混合参数，计算Z玻色子可观测量（如mW、sin²θeff、Γl）的偏移。
• 应用LEP/SLD数据约束Z′参数，并计算精确测量中的偏差δ。
• 将分析扩展至FLC的GigaZ运行模式，预测对Z′耦合的亚百分之一级精度。
• 将多种模型（E6、UED、小希格斯、BESS）的理论预测与LEP/SLD及FLC的探测灵敏度进行比较。
• 通过e+e− → ℓ+ℓ−过程中干涉效应，独立提取Z′的矢量与轴向耦合。
• 利用W玻色子质量与Z宽度测量的约束，推导出对Z′质量与混合的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在各种新物理模型中，Z–Z′混合是否会在LEP/SLD的Z玻色子精确可观测量中产生可测量的偏差？
• RQ2 未来GigaZ直线对撞机在多大程度上能分辨Z′玻色子的矢量与轴向耦合？
• RQ3 Z′的存在是否可能在间接Higgs质量测定中掩盖或模拟一个重Higgs玻色子？
• RQ4 不同模型（E6、UED、小希格斯、BESS）在精确电弱测量中是否预测出不同的特征信号？
• RQ5 从LEP/SLD数据中可导出对Z′质量与混合的何种约束？其与LHC探测能力相比如何？

主要发现

• Z–Z′混合在精确可观测量中引起可测量的偏移，且在E6等模型中，灵敏度相比左右对称模型可提高达3倍。
• LEP/SLD数据中sin²θeff^lept与Ab之间已存在3σ的偏差，可能由Z′贡献解释，但尚无简单模型能同时解释两种效应。
• FLC的GigaZ模式可实现对Z′质量的相对精度为(mZ′/5 TeV)²，从而实现对Z′耦合的高精度测定。
• 在小希格斯模型中，三重态希格斯对δ的贡献可达10⁻³，与Z–Z′混合效应相当，且仅靠GigaZ测量无法将其分离。
• 对于BESS模型，关系式ΔmW²/mW² = 0.42X、Δsin²θeff = -0.15X、ΔΓl/Γl = -0.76X 表明其强烈依赖于参数X = (g/g2)²mZ²/M²。
• FLC可完全覆盖LHC对Z′的探测范围，直至5 TeV，并精确测定其耦合，从而成为区分竞争性新物理场景的关键工具。