[论文解读] The Z' boson of the minimal B-L model at future Linear Colliders in e+e- --> mu+mu-

L. Basso, A. Belyaev+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文研究了未来电子-positron直线对撞机（LCs）在最小B−L模型中通过e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻过程探测Z′玻色子的发现潜力。结果表明，由于更高的精度和干涉效应，LCs在探测轻Z′玻色子（M_Z′ < 2 TeV）方面优于大型强子对撞机（LHC），可实现比LHC小8倍耦合的Z′发现，并可通过线形分析实现对Z′质量高达10 TeV的间接探测，即使超出其运动学探测范围。

ABSTRACT

We study the capabilities of future electron-positron Linear Colliders, with centre-of-mass energy at the TeV scale, in accessing the parameter space of a $Z'$ boson within the minimal $B-L$ model. We carry out a detailed comparison between the discovery regions mapped over a two-dimensional configuration space ($Z'$ mass and coupling) at the Large Hadron Collider and possible future Linear Colliders for the case of di-muon production. As known in the literature for other $Z'$ models, we confirm that leptonic machines, as compared to the CERN hadronic accelerator, display an additional potential in discovering a $Z'$ boson as well as in allowing one to study its properties at a level of precision well beyond that of any of the existing colliders.

研究动机与目标

• 评估未来直线对撞机（LCs）在最小B−L模型中对Z′玻色子的发现潜力。
• 比较LC在e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻通道中对Z′玻色子的探测灵敏度与LHC的差异。
• 评估当LC无法实现运动学探测时，干涉效应在探测Z′玻色子中的作用。
• 探讨在不依赖LHC数据的前提下，是否可通过LC上的线形拟合直接测量Z′耦合g′₁。
• 确定在不同运行模式（固定能量与能量扫描）下，LC对Z′参数空间（质量与耦合）的探测范围。

提出的方法

• 本研究采用包含U(1)_B−L规范群、三个右手中微子和一个复标量单重态的最小B−L模型，确保异常消除与规范不变性。
• 分析未来LC在质心系能量为3 TeV（固定能量）和M_Z′ + 10 GeV（能量扫描）下的e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻过程，假设亮度分别为500 fb⁻¹和每步10 fb⁻¹。
• 在探测器接受度内计算信号与背景事例率，不变质量窗口由CMS和ILC原型分辨率或3Γ_Z′决定，取较大者。
• 通过σ = s/√b评估发现显著性，设定发现阈值为σ ≥ 5。
• 分析当√s < M_Z′时（共振产生在运动学上被禁止），Z′与SM振幅（Z和光子交换）之间的干涉效应。
• 通过横截面的线形拟合提取耦合g′₁，并通过改变Z′宽度测试其对g′₁依赖性的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来直线对撞机能否在比LHC更小的耦合下发现最小B−L模型中的Z′玻色子？
• RQ2 在M_Z′ > 800 GeV时，LC在M_Z′–g′₁平面上的发现范围与LHC相比如何？
• RQ3 在e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻过程中，干涉效应在多大程度上可实现对超出LC运动学阈值的Z′玻色子的间接探测？
• RQ4 是否可仅通过LC上的线形分析直接测量Z′耦合g′₁，而无需依赖LHC数据？
• RQ5 对于给定的g′₁，LC通过间接灵敏度可探测的最大Z′质量是多少？与LHC的探测范围相比如何？

主要发现

• 当M_Z′ = 1 TeV时，LHC仅在g′₁ ≥ 0.0071时可发现Z′，而3 TeV LC可在g′₁ ≥ 0.0050时探测到，能量扫描LC则可探测至g′₁ ≥ 0.0026。
• 当M_Z′ = 2 TeV时，LC的探测范围延伸至g′₁ ≈ 0.0028，比LHC可探测的最小耦合0.018小8倍。
• 能量扫描模式使LC能够比固定能量运行更深入探测M_Z′–g′₁参数空间，尤其在M_Z′ < 1.75 TeV时更为显著。
• 即使当√s < M_Z′时，二μ子线形中的干涉效应仍会产生与SM预测显著偏离的特征，从而实现对重Z′玻色子的间接探测。
• 具有√s = 3 TeV的CLIC型LC可对g′₁ = 0.1的Z′实现高达10 TeV的间接探测，而LHC在相同耦合下仅能探测至M_Z′ < 4 TeV。
• 干涉效应对Z′宽度Γ_Z′的依赖性可忽略不计，因此即使M_Z′超过质心系能量，g′₁仍可可靠地通过LC上的线形拟合提取。