W'ボソンとZ'ボソン

W'ボソンとZ'ボソン：標準模型を超える物理への探求

W'ボソンとZ'ボソンは、素粒子物理学において、標準模型を超える物理の存在を示唆する仮想的なゲージ粒子です。これらの粒子は、標準模型の弱アイソスピンを拡張することで、右巻きフェルミオンとの相互作用を可能にし、高エネルギー実験における探索の対象となっています。

W'ボソン

W'ボソンは、標準模型のWボソンに対応する粒子として命名されました。これは、余剰なSU(2)ゲージ群を持つモデルに現れます。これらのモデルでは、SU(2) × SU(2)が電弱SU(2)に対応する対角部分群SU(2)Wについて自発的に破れており、その結果、W+'、W-'、Z'ボソンが生成されます。このようなモデルは、箙ダイアグラムから生じることがあります。

W'ボソンがアイソスピンと結合するためには、余剰なSU(2)と標準模型のSU(2)が混合される必要があります。この過程で、TeVスケール付近でSU(2)が破れ、TeV質量のW'ボソンが生成されます。この現象は、リトルヒッグスモデルなどで見られます。W'ボソンはSU(2)の破れから生じるため、一般的にほぼ同じ質量のZ'ボソンも生成され、W'ボソンに関する結合が同時に起こります。

追加的なSU(2)因子を持たないモデルとして、いわゆる331モデルがあります。このモデルでは、特定の対称性の破れ鎖によって、一対のW'±ボソンと三つのZ'ボソンが生成されます。また、W'ボソンは、時空内のSU(2)を伴うカルツァ＝クライン理論にも現れます。

Z'ボソン

Z'ボソンを予測するモデルは多岐にわたり、それぞれ異なる特徴を持っています。

新しいU(1)ゲージ対称性を持つモデル: このモデルでは、Z'ボソンは破れたU(1)対称性のゲージボソンとして現れます。
E6モデル: このモデルは、混合可能な2つのZ'ボソンを含む可能性があります。
力学的電弱対称性の破れのモデル: トップカラーモデルやトップシーソーモデルでは、Z'ボソンは特定の凝縮物の形態を取ります。
リトルヒッグスモデル: このモデルは、拡張されたゲージセクターを含み、TeVスケール付近で標準模型のゲージ対称性へと分解されます。多くの場合、1つ以上のZ'ボソンに加えて、W'ボソンも含まれます。
カルツァ＝クラインモデル: このモデルでは、Z'ボソンは中性バルクゲージ対称性の励起モードとして現れます。
シュテュッケルベルク拡張: このモデルでは、Z'ボソンは交差するDブレーンを持つ弦理論に見られる結合から生じます。

探索

W'ボソンとZ'ボソンの探索は、主にハドロン衝突器を用いた直接探索と、間接的な影響を調べる間接探索の2つの方法で行われています。

直接探索

W'ボソンの直接探索では、W'ボソンがレプトンとニュートリノ、またはトップクォークとボトムクォークに崩壊する現象を利用します。LHC加速器は、W'ボソンが発見されると予測されている数TeVのエネルギー領域を探索しています。

Z'ボソンの直接探索では、高質量ダイレプトン共鳴を探します。これは、クォーク-アンチクォーク対消滅によって生成されたZ'ボソンが、電子-陽電子対または反対の電荷を持つミューオン対に崩壊する反応を観測するものです。フェルミラボのテバトロンで行われた実験では、Z'ボソンの質量に対する制約が得られています。

間接探索

Z'ボソンの存在は、他の粒子との混合を通じて間接的に検出できる可能性があります。例えば、Z'ボソンのU(1)'と超電荷のU(1)Yの間の混合は、Peskin-Takeuchi変数の修正を引き起こす可能性があります。

まとめ

W'ボソンとZ'ボソンは、標準模型を超える物理の探求において重要な役割を果たす仮想粒子です。これらの粒子の性質や相互作用を調べることで、素粒子物理学の新たな地平が開かれることが期待されています。

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