[论文解读] Z' Phenomenology and the LHC

Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 41被引用 90

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）上Z′规范玻色子的理论现象学提供了教学性的综述，详细说明了这类粒子（源于标准模型的扩展）如何被发现，以及其与标准模型费米子的耦合如何被识别。结果表明，LHC可通过二轻子末态探测Z′共振，而国际线性对撞机（ILC）对于精确测量Z′耦合并解决LHC无法触及的模型识别歧义至关重要。

ABSTRACT

A brief pedagogical overview of the phenomenology of Z' gauge bosons is presented. Such particles can arise in various electroweak extensions of the Standard Model (SM). We provide a quick survey of a number of Z' models, review the current constraints on the possible properties of a Z' and explore in detail how the LHC may discover and help elucidate the nature of these new particles. We provide an overview of the Z' studies that have been performed by both ATLAS and CMS. The role of the ILC in determining Z' properties is also discussed.

研究动机与目标

• 在电弱扩展标准模型的背景下，全面概述Z′规范玻色子现象学。
• 评估LHC通过Drell-Yan过程中二轻子产生对Z′玻色子的发现潜力。
• 评估LHC在完全确定Z′耦合方面的局限性，以及ILC在精确测量中的必要性。
• 展示自旋和耦合测量如何区分竞争性的Z′模型并识别其基本理论起源。
• 量化ILC对超出LHC直接探测范围的Z′质量的敏感度，特别是使用极化束流时。

提出的方法

• 分析LHC中Drell-Yan过程 $pp(p\bar{p})\rightarrow l^{+}l^{-}+X$ 的Z′产生，利用二轻子不变质量分布识别共振态。
• 通过分析Z′静止参考系中二轻子的角分布来确定共振态的自旋，仅需几百个事例即可将自旋-1的Z′与仅含少数事例的自旋-0或自旋-2态区分开。
• 应用规范异常消除条件和群论约束（例如，$[T', T_i] = 0$）以减少独立耦合数量，并限制可行的Z′模型。
• 通过$\sqrt{s} = 0.5-1$ TeV的$e^+e^-$对撞，利用可观测量$d\sigma/dz$和$A_{LR}(z)$，评估ILC对Z′质量的敏感度，使用极化束流。
• 在ILC中对多个末态（$e^+e^-$、$b\bar{b}$、$c\bar{c}$、$t\bar{t}$）同时拟合Z′耦合，以确定每种费米子种类的矢量和轴向耦合$v'_{f}, a'_{f}$。
• 将LHC的直接发现能力与ILC的间接探测能力进行比较，表明ILC可探测高达$14\sqrt{s}$的Z′质量，超过LHC的直接极限（约5–6 TeV）。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC如何通过二轻子末态和角分布探测并识别Z′玻色子？
• RQ2 味改变中性流（FCNC）和异常消除条件对轻Z′玻色子可行参数空间有何限制？
• RQ3 LHC能否独立完全确定已发现Z′玻色子的费米子耦合？
• RQ4 ILC如何将Z′玻色子的发现能力扩展至超出LHC直接灵敏度的范围？
• RQ5 ILC能否在多个费米子末态中精确测量Z′耦合，以区分竞争性的理论模型？

主要发现

• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV、亮度约1 fb⁻¹的条件下，LHC可通过Drell-Yan过程中的二轻子共振探测到质量高达约5–6 TeV的Z′玻色子。
• 通过分析重建的静止参考系中二轻子的角分布，仅需几百个事例即可确定Z′共振态的自旋。
• 非统一耦合引起的味改变中性流（FCNC）要求Z′质量高于约100 TeV，除非通过对称性或对齐机制抑制，因此轻Z′仅在统一或近乎统一耦合下可行。
• 通过异常消除和群论约束，Z′独立耦合数可从24减少至5个，具体取决于模型以及$T'$是否与SM同位旋生成元对易。
• 在$\sqrt{s} = 0.5$–1 TeV下，经过数年运行并使用60%正电子束极化，ILC可探测高达$14\sqrt{s}$的Z′质量，相当于7–14 TeV。
• ILC可实现对多个费米子末态中Z′耦合的完整确定，解决双重符号歧义，并以高精度区分竞争性模型，如图23所示。