[论文解读] Simple Non-Abelian Extensions and Diboson Excesses at the LHC

Qing-Hong Cao, Bin Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了标准模型的两种非阿贝尔扩展——G(221) 和 G(331)，以解释 ATLAS 双玻色子衰变末态中观测到的 2 TeV 双玻色子过剩。研究发现，来自 $W'$ 和 $Z'$ 坍缩至轻子和二胶子的严格约束严重限制了可行的参数空间，若 $W^+W^-$ 过剩为背景涨落，则左右对称与轻子相消模型可一致解释 $WZ$ 过剩。

ABSTRACT

The ATLAS collaboration reported excesses at around 2 TeV in the di-boson production decaying into hadronic final states. We consider the possibility of explaining the excesses with extra gauge bosons in two simple non-Abelian extensions of the Standard Model. One is the so-called $G(221)$ models with a symmetry structure of $SU(2)_1\otimes SU(2)_2\otimes U(1)_X$ and the other is the $G(331)$ models with an extended symmetry of $SU(3)_C\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$. The $W'$ and $Z'$ bosons emerge after the electroweak symmetry is spontaneously broken. Two patterns of symmetry breaking in the $G(221)$ models are considered in this work: one is $SU(2)_L\otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X o SU(2)_L\otimes U(1)_Y$, the other is $SU(2)_1\otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_Y o SU(2)_L\otimes U(1)_Y$. The symmetry breaking of the $G(331)$ model is $SU(3)_L\otimes U(1)_X o SU(2)_L \otimes U(1)_Y$. We perform a global analysis of $W^\prime$ and $Z^\prime$ phenomenology in ten new physics models, including all the channels of $W^\prime/Z^\prime$ decay. Our study shows that the leptonic mode and the dijet mode of $W^\prime/Z^\prime$ decays impose a very stringent bound on the parameter space in several new physics models. Such tight bounds provide a useful guide for building new physics models to address on the diboson anomalies. We also note that the Left-Right and Lepton-Phobic models can explain the $3.4\sigma$ $WZ$ excess if the $2.6\sigma$ deviation in the $W^+W^-$ pair around 2~TeV were confirmed to be a fluctuation of the SM backgrounds.

研究动机与目标

• 通过标准模型的非阿贝尔扩展中的新规范玻色子解释 ATLAS 双玻色子末态中观测到的 2 TeV 双玻色子过剩。
• 分析十种新物理模型中 $W'$ 与 $Z'$ 玻色子的唯象学，包括所有衰变通道。
• 评估 $G(221)$ 与 $G(331}$ 模型在不同对称性自发破缺模式下容纳双玻色子异常的可行性。
• 利用来自 $W'$ 与 $Z'$ 坍缩至轻子和二胶子的严格限制，对模型参数施加约束。
• 评估若 $W^+W^-$ 过剩为统计涨落，左右对称与轻子相消模型是否能同时解释 $WZ$ 与 $W^+W^-$ 过剩。

提出的方法

• 构建具有规范群 $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X$ 的 $G(221)$ 模型，并分析两种不同的对称性破缺模式：$SU(2)_L \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ 与 $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$。
• 分析具有规范群 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 的 $G(331}$ 模型，其破缺至 $SU(2)_L \otimes U(1)_Y$。
• 对十种新物理模型中的 $W'$ 与 $Z'$ 唯象学进行全局分析，包括所有衰变通道：轻子道、二胶子道与双玻色子末态。
• 利用 LHC 数据的实验约束，特别关注 $W'$ 与 $Z'$ 坍缩至二胶子与轻子的衰变，以推导对模型参数的严格限制。
• 在假设 2 TeV 处的 $W^+W^-$ 过剩为统计涨落的前提下，评估左右对称与轻子相消模型与 $WZ$ 过剩的相容性。
• 以 $WZ$ 过剩的 $3.4\sigma$ 显著性与 $W^+W^-$ 的 $2.6\sigma$ 偏离作为关键输入，测试模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有两种不同对称性破缺模式的 $G(221}$ 模型能否解释 ATLAS 观测到的 2 TeV 双玻色子过剩？
• RQ2 $W'$ 与 $Z'$ 坍缩至二胶子与轻子的衰变在多大程度上限制了 $G(221}$ 与 $G(331}$ 模型的参数空间？
• RQ3 若 $W^+W^-$ 过剩为背景涨落，左右对称与轻子相消模型能否同时解释 $WZ$ 过剩？
• RQ4 $W'$ 与 $Z'$ 衰变的唯象学约束如何影响非阿贝尔扩展在解释双玻色子异常方面的可行性？
• RQ5 不同的对称性破缺模式在塑造 $G(221}$ 模型中 $W'$ 与 $Z'$ 唯象学方面起到何种作用？

主要发现

• 在多种新物理模型中，$W'$ 与 $Z'$ 的轻子道与二胶子道衰变施加了极为严格的参数空间约束。
• 对称性破缺模式为 $SU(2)_1 \otimes SU(2)_2 \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ 的 $G(221}$ 模型尤其受到 $W'$ 与 $Z'$ 衰变数据的严格限制。
• 对称性破缺为 $SU(3)_L \otimes U(1)_X \to SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ 的 $G(331}$ 模型也受到 $W'$ 与 $Z'$ 衰变道的强烈约束。
• 若 2 TeV 处的 $W^+W^-$ 偏离被证实为统计涨落，则左右对称与轻子相消模型可解释 $3.4\sigma$ 的 $WZ$ 过剩。
• 来自 $W'$ 与 $Z'$ 衰变的严格限制为构建可解释双玻色子异常的可行模型提供了关键指导。
• 对十种模型的全局分析确认，$W'$ 与 $Z'$ 坍缩至二胶子与轻子是探测 2 TeV 能标新物理最敏感的探针。