Flavor non-universal Z′ at the LHC

Abstract

Z' Bosonen werden in verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt. In dieser Arbeit wird ein lepton flavor non-universal Z' Modell am LHC untersucht. Diese Erweiterung, in der das Z' Boson nur mit Leptonen des Standardmodells wechselwirkt (leptophil), wurde im Rahmen von Suchen nach dunkler Materie vorgeschlagen. Es wurde gezeigt, dass loop-induzierte Wechselwirkungen mit Quarks ausreichend stark sind um dieses Modell im Drell-Yan Prozess am LHC zu untersuchen. Das im Folgenden untersuchte Z' Boson wechselwirkt in erster Ordung mit Elektronen, Myonen und weiters mit Neutrinos um die Eichinvarianz des Standardmodells nicht zu verletzen. Die Berechung der induzierten Wechselwirkung wird rekaptituliert und weiters wird die Relevanz von Interferenzeffekten aufgezeigt. Limits von LEP auf Kontaktoperatoren beschränkendie erlaubten Wechselwirkungen von Z' Bosonen mit Leptonen. Die Limits werden hergeleitet und die Abhängigkeit von noch nicht ausgeschlossener Kopplungsstärke zu Myonen, bei angenommener Kopplungstärke zu Elektronen, präsentiert. Parameterpunkte des Z' Modells werden mittels dem öffentlichen Programm ZPEED analysiert. ZPEED verwendet 139 fb−1 an Drell-Yan Ereignissen der ATLAS collaboration. Die von ZPEED verwendete Methode wird erläutert und die statistische Auswertung in Zerfällen in Elektronen und Myonen wird erweitert, bei Betrachtung von deren Verhältnis. Der Vorteil der letztgenannten Methode ist, dass theoretische Unsicherheiten in dem Hintergrundprozess wegfallen. Zum Abschluss wird die Analyse auf ein generisches Z' Modell angewandt, in welchem die Z' Kopplung an Quarks nicht durch Wechselwirkungen von Leptonen verursacht wird.

Z' bosons arise in various models of physics beyond the Standard Model. In this thesis, a lepton flavor non-universal Z' extension is studied at the LHC. In the context of dark matter searches, a simplified model in which the Z' boson couples only to leptons of the Standard Model particle content (leptophilic) was proposed. It was shown that loop induced couplings provide sufficiently large couplings to colored states to study this extension in the Drell-Yan process at the LHC. The henceforth studied Z' boson couples at tree-level to electrons, muons and to neutrinos as required by gauge invariance. The model is reviewed and furthermore the importance of interference terms is discussed. LEP bounds on contact operators tightly constrain lepton couplings to Z' bosons. The bounds are derived and the dependency of allowed couplings to muons for a fixed coupling to electrons are presented. Z' parameter points are excluded with the publicly available code ZPEED. ZPEED allows for exclusion in Drell-Yan processes from experimental data collected by the ATLAS collaboration with 139 fb−1 . It was recently published and validated by comparison to limits obtained by experimental searches. The approach taken by ZPEED is reviewed and the statistical analysis of dilepton invariant mass distributions is extended by considering the ratio of the dilepton invariant mass spectrum of the electron and muon channel. Ratios are cleaner observables, since theoretical uncertainties in the background prediction cancel. Both analysis methods are compared for the studied parameter space. Finally, the analysis is also performed on a generic Z' model with tree-level couplings to quarks.