[论文解读] Testing Right-Handed Currents at the LHC

Matti Heikinheimo, M. Raidal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出，LHC上近期在 $eejj$ 和 $e\nu jj$ 最终态中观测到的超出信号可能源自质量为 2–2.5 TeV 的右手上旋规范玻色子 $W_R$，其耦合至右手上旋中微子并衰变为 $e + 2j$。该模型解释了 $\mu\mu$ 通道中无信号的原因，并预测在 6–7 TeV 能量处可观测到 $Z_R$ 共振态，同时预测了顶夸克自旋不对称性以及 $W_R$ 介导的单顶夸克产生过程，为 LHC14 提供了验证该场景的交叉检验手段。

ABSTRACT

The CMS Collaboration has published two different searches for new physics that contain possible hints for excesses in $eejj$ and $eνjj$ final states. Interpreting those hints as a possible signal of a right-handed gauge boson $W_R$ with mass 2-2.5~TeV may have profound implications for our understanding of the gauge structure of nature and Grand Unification, the scalar sector accessible at the LHC, neutrino physics, and the baryon asymmetry of the Universe. We show that this interpretation is, indeed, consistent with all existing constraints. However, before making premature claims we propose a number of cross-checks at the LHC14 that could confirm or falsify this scenario. Those include searches for a $Z_R$ resonance and the related new scalar sector around 6-7~TeV. Additionally, large effects in top-quark spin-asymmetries in single top production are possible.

研究动机与目标

• 将近期 CMS 实验在 $eejj$ 和 $e\nu jj$ 最终态中观测到的超出信号解释为质量为 2–2.5 TeV 的右手上旋规范玻色子 $W_R$ 的潜在信号。
• 检验 $W_R$ 假设与现有实验约束（包括精确电弱数据以及 $K-\bar{K}$、$B-\bar{B}$ 系统）的一致性。
• 在 LHC14 上提出新的、直接的实验检验方法，以确认或证伪 $W_R$ 场景，包括 $Z_R$ 共振态搜索和顶夸克自旋不对称性测量。
• 探讨 $W_R$ 对左右对称模型、中微子质量生成机制、重子不对称性以及大统一理论的影响。

提出的方法

• 通过 s-通道 $W_R$ 共振态产生来建模 $eejj$ 和 $e\nu jj$ 超出信号，随后衰变为 $W_R \to N_R + e$ 和 $N_R \to e + 2j$，从而解释 2–2.5 TeV 能量区间的本征峰。
• 利用 $W_R$ 衰变链 $W_R \to tb/\,tq \to \ell\nu bb/\ell\nu bq$ 解释顶夸克偶素搜索中对 $b$-标签不敏感的现象。
• 预测存在一个中性 $Z_R$ 玻色子，其质量接近 6–7 TeV，源于 $SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 对称性自发破缺，其耦合主要由 $B-L$ 量子数主导。
• 分析单顶夸克产生过程中 $t$-通道 $W_R$ 交换过程，若第一代与第三代之间存在不可忽略的右手上旋 CKM 混合，则可导致来自轻夸克初态的截面增强。
• 评估顶夸克自旋不对称性作为探测右手上旋顶夸克产生机制的手段，与标准模型中仅产生左手上旋顶夸克的特性形成对比。
• 应用现有的 LHC 双轻子搜索（ATLAS 和 CMS）对 $Z_R \to \ell^+\ell^-$ 过程，以设定 $Z_R$ 质量与耦合强度的排除限。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 上观测到的 $eejj$ 和 $e\nu jj$ 超出信号能否被质量为 2–2.5 TeV 的 $W_R$ 玻色子一致解释？
• RQ2 该 $W_R$ 假设是否与来自电弱精确观测量、$K-\bar{K}$ 以及 $B-\bar{B}$ 混合的现有约束相容？
• RQ3 LHC14 的关键信号有哪些，可用来确认或排除 $W_R$ 场景，例如 $Z_R$ 共振态或顶夸克自旋不对称性？
• RQ4 $W_R$ 介导的单顶夸克产生过程与标准模型预期有何不同，特别是在角分布与截面比值方面？
• RQ5 $Z_R$ 玻色子的预期质量尺度与衰变模式为何？其在双轻子末态中如何被探测？

主要发现

• 质量为 2–2.5 TeV、耦合强度 $g_R \sim 0.6g_L$ 的 $W_R$ 假设与所有现有实验约束一致，包括精确电弱数据以及 $K-\bar{K}$、$B-\bar{B}$ 系统。
• 预测存在一个质量接近 6–7 TeV 的 $Z_R$ 共振态，其主要衰变为双轻子，因此可在现有 LHC 双轻子搜索中被探测到。
• 若第一代与第三代之间存在不可忽略的右手上旋 CKM 混合，则 $W_R$ 模型预测在单顶夸克产生中存在显著的 $t$-通道贡献，从而避免因 $b$-夸克部分子分布函数导致的抑制。
• 单顶夸克产生中的顶夸克自旋不对称性可能偏离标准模型预期，这是由于右手上旋顶夸克的产生所致，因而提供了一种清洁且不受系统误差影响的探测手段。
• 该 $W_R$ 模型可解释 $\mu\mu$ 信号缺失的原因：右手上旋缪子中微子因 $SU(2)_R$ 破缺尺度过大（为 $W_R$ 质量的 2–3 倍）而处于动力学禁闭区域。
• 预期 $Z_R$ 玻色子质量接近 $SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 破缺尺度 $f$，当 $M_{W_R} \sim 2.5$ TeV 时，$M_{Z_R} \sim 6-7$ TeV，且由于 $g_{B-L}^2 \gtrsim 1$，混合角接近最大值。