The Plan B Model: $Z^{\prime}$ collider phenomenology and discovery prospects

Resumen Técnico: El Modelo Plan B: Fenomenología del colisionador $Z'$ y prospectos de descubrimiento

Problema y Motivación
El Modelo Plan B, propuesto originalmente en la Ref. [1], es una extensión del Modelo Estándar (SM) diseñada para explicar rasgos generales del espectro de masas de los fermiones y abordar anomalías en las transiciones de sabor de quarks $b \to s$. El modelo introduce una simetría de gauge $U(1)_X$ adicional libre de anomalías, donde las cargas de los fermiones se definen como $X = 3B_3 - L_1 - 2L_2$ (tres veces el número bariónico de la tercera familia menos el número electrónico menos dos veces el número muónico). Esta simetría se rompe espontáneamente mediante un campo flavon de escala TeV, generando un bosón de espín 1, masivo y eléctricamente neutro, $Z'$. Si bien el modelo mejora con éxito el ajuste a cientos de mediciones de sabor y de LEP2 (reduciendo el $\chi^2$ en 34 unidades), predice una nueva partícula que debe ser restringida por búsquedas directas en colisionadores. El desafío principal abordado en este trabajo es delinear rigurosamente el espacio de parámetros viable del Modelo Plan B ($M_{Z'}$ y $g_{Z'}$) mediante la reinterpretación de los datos existentes de la Fase II de LHC y la estimación del alcance futuro del HL-LHC (LHC de Alta Luminosidad), yendo más allá de los simples puntos de "mejor ajuste" para explorar toda la región preferida al nivel de confianza (CL) del 95%.

Metodología
Los autores emplean una metodología de "re-cast" (re-interpretación) para restringir el modelo utilizando búsquedas de resonancia directa y mediciones de sección eficaz diferencial:

1. Marco Teórico: El modelo asume el contenido de fermiones quirales del SM más tres neutrinos de mano derecha. Los acoplamientos del $Z'$ a los estados propios de masa se derivan del autoestado de gauge mediante matrices de mezcla específicas ($V_{dL}$, $V_{uL}$, etc.), lo que resulta en acoplamientos dominantes a la tercera generación y corrientes neutras con cambio de sabor (FCNC) específicas que involucran a $b \to s$. La sección eficaz de producción en el LHC está dominada por la fusión $b\bar{b} \to Z'$, con contribuciones subdominantes de la fusión $s\bar{b}$ y la producción asociada con un quark $b$.
2. Reinterpretación de Búsquedas Directas: Los autores re-analizan cuatro canales específicos de búsqueda de LHC utilizando datos de la Fase II de LHC ($\sqrt{s}=13$ TeV) y simulan eventos usando MadGraph5_aMC@NLO, Pythia 8 y Delphes. Los canales incluyen:
   • Búsquedas de resonancia de di-leptones de ATLAS ($e^+e^-, \mu^+\mu^-$).
   • Búsquedas de di-leptones de ATLAS con requisitos específicos de jets $b$ (cero o un jet con etiqueta $b$).
   • Búsquedas de di-leptones de CMS.
   • Búsquedas de resonancia de di-muones de CMS en asociación con jets $b$ adicionales (específicamente diseñadas para modelos como Plan B).
   • Para cada canal, los autores calculan la razón $\mu$ entre el límite superior experimental al 95% CL y la predicción teórica. Los contornos de exclusión se definen donde $\mu = 1$.
3. Restricciones de Sección Eficaz Diferencial: Utilizando la herramienta Contur, los autores prueban el modelo contra un amplio espectro de mediciones de sección eficaz diferencial desplegadas de LHC (incluyendo di-jets, producción de tops y Drell-Yan). Esto implica inyectar la contribución del $Z'$ en las predicciones del SM y evaluar la razón de verosimilitud utilizando el método CLs.
4. Proyecciones para el HL-LHC: Las sensibilidades proyectadas para 3000 fb$^{-1}$ se estiman escalando las incertidumbres de señal y fondo, asumiendo una energía de centro de masa conservadora de 13 TeV (reconociendo que el HL-LHC real podría operar a energías más altas, lo que mejoraría la sensibilidad).

Contribuciones Clave

• Escaneo Exhaustivo del Espacio de Parámetros: A diferencia de estudios previos que se centraron en los parámetros de medición indirecta (IMPs) de "mejor ajuste", este trabajo explora toda la región preferida al 95% CL del Modelo Plan B.
• Análisis Multicanal: El estudio incorpora restricciones de canales con veto de jets $b$ y etiquetado de $b$, aprovechando específicamente la búsqueda de di-muones más jets $b$ de CMS, la cual es altamente sensible al acoplamiento del $Z'$ a los quarks $b$.
• Perturbatividad y Mezcla Cinemática: Los autores delimitan explícitamente la región donde la relación ancho-masa del $Z'$, $\Gamma_{Z'}/M_{Z'} \leq 0.1$, asegurando la validez de sus cálculos perturbativos. También discuten el impacto potencial de la mezcla cinemática ($\chi$) pero asumen que es insignificante para el análisis principal, señalando que una mezcla significativa requeriría una reevaluación de los límites.
• Integración de Restricciones Indirectas y Directas: El artículo combina búsquedas de resonancia directa con restricciones de sección eficaz diferencial para proporcionar una visión holística de la viabilidad del modelo.

Resultados

• Exclusiones Actuales: Una fracción significativa de la región preferida al 95% CL para el Modelo Plan B ya está excluida por los datos actuales de la Fase II de LHC. El canal de di-muones generalmente proporciona las restricciones más fuertes en todo el rango de masas, seguido por el canal de di-electrones.
• Papel de los jets $b$: Para $M_{Z'} < 3500$ GeV, las búsquedas que involucran etiquetado de $b$ o veto de $b$ proporcionan los límites principales. Específicamente, la búsqueda de ATLAS con un veto de $b$ supera a la búsqueda de etiquetado de $b$ debido a la reducción del fondo de quarks top.
• Alcance del HL-LHC: Se proyecta que el HL-LHC probe el espacio de parámetros viable restante hasta $M_{Z'} \approx 2.5$ TeV. Sin embargo, los autores señalan que la ganancia en sensibilidad debido al aumento de luminosidad es modesta en comparación con las ganancias de las búsquedas directas de resonancia en el pasado, lo que sugiere que puede ser necesario un cambio de estrategia.
• Mediciones Diferenciales: El análisis de Contur confirma que las búsquedas de resonancia directa son actualmente más restrictivas que las mediciones de sección eficaz diferencial para el Modelo Plan B. Las restricciones diferenciales son más débiles, particularmente a masas altas, debido a las limitaciones estadísticas en las colas de alta masa de las distribuciones.
• Viabilidad del Modelo: Aunque gran parte del espacio de parámetros está excluido, permanece una región viable para $M_{Z'}$ por encima de unos pocos TeV, dependiendo de la fuerza del acoplamiento $g_{Z'}$.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el Modelo Plan B está bajo una presión significativa de los datos actuales de LHC, con una gran parte de su espacio de parámetros preferido ya excluida. Los autores argumentan que, si bien el HL-LHC extenderá el alcance hacia masas más altas, las ganancias marginales de luminosidad en las búsquedas de "búsqueda de picos" (bump-hunt) sugieren rendimientos decrecientes. En consecuencia, el artículo aboga por un cambio estratégico en el análisis experimental para la era del HL-LHC: alejarse de las búsquedas de resonancia puramente inclusivas hacia mediciones de sección eficaz diferencial de alta precisión en canales motivados por búsquedas directas. Este enfoque, sugieren los autores, podría descubrir sutiles indicios de nueva física o proporcionar restricciones monolíticas robustas sobre teorías más allá del Modelo Estándar (BSM), de manera similar al legado de LEP. El trabajo enfatiza que medir múltiples canales (por ejemplo, di-leptones con y sin jets $b$) es crucial para las pruebas del modelo, ya que las tasas relativas están predichas por la teoría en cada punto del espacio de parámetros.