[论文解读] Z polarization in $e^+e^- o ZWW $ for testing special interactions of massive particles

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了 $e^+e^- \to ZWW$ 过程，以探测大质量规范玻色子的质量尺度依赖性及末态相互作用，表明纵向 $Z$-玻色子极化率 ($R_L$) 对此类效应敏感。与顶夸克产生不同，$Z_{L}$ 在 $ZWW$ 中对 $W$ 和 $Z$ 质量尺度依赖性以及 $W_LW_L$ 末态相互作用具有独特敏感性，为标准模型之外的新物理提供了互补约束。

ABSTRACT

We show that the $ZWW$ production process may give complementary informations about scale dependent heavy particle masses and possible final state interactions as compared to previously studied top quark production processes. We illustrate the $p_Z$ distribution of the rate of longitudinal $Z_L$ component showing its sensitivity to these effects which may arise from heavy particle substructure or a dark matter (DM) environment.

研究动机与目标

• 探究 $e^+e^- \to ZWW$ 过程是否相较于顶夸克产生过程，对质量尺度依赖性及大质量粒子末态相互作用具有互补敏感性。
• 分析 $p_Z$ 依赖的纵向 $Z$-玻色子极化率 ($R_L$) 作为探测 $W$ 和 $Z$ 质量尺度依赖性的工具。
• 评估末态 $Z_LW_LW_L$ 相互作用的影响，此类相互作用可能源于结构子或暗物质环境。
• 比较 $Z_{L}$ 在 $ZWW$ 中的产生敏感性与在 $Zt\bar{t}$ 和 $W_{L}t\bar{b}$ 过程中的敏感性，突出质量组合差异带来的影响。
• 评估 $ZWW$ 产生作为探测标准模型之外新物理的高精度工具的潜力。

提出的方法

• 研究在 $\sqrt{s} = 5$ TeV 下，计算纵向 $Z$-玻色子产生率 $R_L = \sigma(Z_LWW)/\sigma(Z_TWW + Z_LWW)$ 随 $p_Z$ 的变化。
• 在高能极限下，利用 $Z_L$ 与戈戈斯通玻色子 ($G^0$) 振幅之间的等价性，其中 $G^0WW$ 振幅在主导项中与 $m_W$ 和 $1/m_W$ 成正比。
• 引入质量尺度依赖的 $W$ 和 $Z$ 质量模型：$m_{W,Z}(s) = m_{W,Z} (m_{\text{th}}^2 + m_0^2)/(s + m_0^2)$，其中 $m_0 = 2,4$ TeV。
• 通过测试因子 $(1 + C(s))$ 建模末态相互作用，其中 $C(x) = 1 + \frac{m_Z^2}{m_0^2} \ln\left(-x/(m_Z + m_W)^2\right)$，$m_0 = 0.5$ TeV，应用于 $Z_LW_L^+W_L^-$ 振幅。
• 计算并比较 $R_L$ 和 $R_L^G$（戈戈斯通等价）的 $p_Z$ 分布，以识别与标准模型的偏离。
• 建议利用子能量和角度依赖性等运动学结构，以区分质量尺度依赖性效应与末态相互作用效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $e^+e^- \to ZWW$ 中，$p_Z$ 依赖的纵向 $Z$-玻色子极化率如何响应 $W$ 和 $Z$ 质量的尺度依赖性？
• RQ2 在 $ZWW$ 产生中，$Z_{L}$ 极化率与在 $Zt\bar{t}$ 和 $W_{L}t\bar{b}$ 过程中的 $Z_{L}$ 极化率相比，对质量尺度依赖性的响应有何不同？
• RQ3 末态 $Z_LW_L^+W_L^-$ 相互作用在多大程度上可被误认为或与质量尺度依赖性效应区分开来？
• RQ4 $Z_{L}$ 极化在 $ZWW$ 产生中能否作为探测涉及 $W$ 和 $Z$ 质量尺度依赖性的新物理的清晰探针？
• RQ5 哪些运动学特征（如子能量或角度依赖性）有助于区分质量尺度依赖性效应与末态相互作用效应？

主要发现

• $e^+e^- \to ZWW$ 中的 $Z_L$ 极化率对 $W$ 和 $Z$ 的质量尺度依赖性表现出显著敏感性，其效应符号与 $Zt\bar{t}$ 和 $Wt\bar{b}$ 过程中观察到的相反。
• $R_L$ 的 $p_Z$ 分布在 $m_W(s)$ 具有尺度依赖性时表现出与标准模型的显著偏离，尤其在低 $p_Z$ 区域，这是由于 $1/m_W$ 增强振幅与 $m_W^2/s$ 修正之间的相互作用所致。
• 在高 $p_Z$ 区域，$ZWW$ 过程中戈戈斯通等价性 ($R_L^G$) 保持成立，但在低 $p_Z$ 区域因 $m_Z^2/s$ 修正出现偏离，凸显了精确测量的重要性。
• 通过 $C(x)$ 因子建模的末态 $Z_LW_L^+W_L^-$ 相互作用，在 $R_L$ 的 $p_Z$ 分布中产生可测量的畸变，可通过运动学分析与质量尺度效应区分开来。
• $Z_{L}$ 在 $ZWW$ 中的极化率仅对 $W$ 和 $Z$ 质量敏感，使其成为探测规范玻色子质量尺度依赖性新物理的互补探针，相较于顶夸克过程具有独特优势。
• 本研究建议，在 $\sqrt{s} = 5$ TeV 下的 $ZWW$ 产生是探测新物理的有前途的通道，尤其当与 $HWW$ 或 $HZZ$ 过程结合时，尽管 $H$ 粒子的识别可能比 $Z$ 更具挑战性。