PYTHIA8/pythia8130/xmldoc/NewGaugeBosonProcesses.xml

   1 <chapter name="New-Gauge-Boson Processes">
   2
   3 <h2>New-Gauge-Boson Processes</h2>
   4
   5 This page contains the production of new <ei>Z'^0</ei> and
   6 <ei>W'^+-</ei> gauge bosons, e.g. within the context of a new
   7 <ei>U(1)</ei> or <ei>SU(2)</ei> gauge group, and also a
   8 (rather speculative) horizontal gauge boson <ei>R^0</ei>.
   9 Left-right-symmetry scenarios also contain new gauge bosons,
  10 but are described
  11 <aloc href"LeftRightSymmetryProcesses">separately</aloc>.
  12
  13 <h3><ei>Z'^0</ei></h3>
  14
  15 This group only contains one subprocess, with the full
  16 <ei>gamma^*/Z^0/Z'^0</ei> interference structure for couplings
  17 to fermion pairs. It is possible to pick only a subset, e.g, only
  18 the pure <ei>Z'^0</ei> piece. No higher-order processes are
  19 available explicitly, but the ISR showers contain automatic
  20 matching to the <ei>Z'^0</ei> + 1 jet matrix elements, as for
  21 the corresponding <ei>gamma^*/Z^0</ei> process.
  22
  23 <flag name="NewGaugeBoson:ffbar2gmZZprime" default="off">
  24 Scattering <ei>f fbar ->Z'^0</ei>.
  25 Code 3001.
  26 </flag>
  27
  28 <modepick name="Zprime:gmZmode" default="0" min="0" max="6">
  29 Choice of full <ei>gamma^*/Z^0/Z'^0</ei> structure or not in
  30 the above process. Note that, with the <ei>Z'^0</ei> part switched
  31 off, this process is reduced to what already exists among
  32 <aloc href="ElectroweakProcesses">electroweak processes</aloc>,
  33 so those options are here only for crosschecks.
  34 <option value="0">full <ei>gamma^*/Z^0/Z'^0</ei> structure,
  35 with interference included.</option>
  36 <option value="1">only pure <ei>gamma^*</ei> contribution.</option>
  37 <option value="2">only pure <ei>Z^0</ei> contribution.</option>
  38 <option value="3">only pure <ei>Z'^0</ei> contribution.</option>
  39 <option value="4">only the <ei>gamma^*/Z^0</ei> contribution,
  40 including interference.</option>
  41 <option value="5">only the <ei>gamma^*/Z'^0</ei> contribution,
  42 including interference.</option>
  43 <option value="6">only the <ei>Z^0/Z'^0</ei> contribution,
  44 including interference.</option>
  45 <note>Note</note>: irrespective of the option used, the particle produced
  46 will always be assigned code 32 for <ei>Z'^0</ei>, and open decay channels
  47 is purely dictated by what is set for the <ei>Z'^0</ei>.
  48 </modepick>
  49
  50 <p/>
  51 The couplings of the <ei>Z'^0</ei> to quarks and leptons can
  52 either be assumed universal, i.e. generation-independent, or not.
  53 In the former case eight numbers parametrize the vector and axial
  54 couplings of down-type quarks, up-type quarks, leptons and neutrinos,
  55 respectively. Depending on your assumed neutrino nature you may
  56 want to restrict your freedom in that sector, but no limitations
  57 are enforced by the program. The default corresponds to the same
  58 couplings as that of the Standard Model <ei>Z^0</ei>, with axial
  59 couplings <ei>a_f = +-1</ei> and vector couplings
  60 <ei>v_f = a_f - 4 e_f sin^2(theta_W)</ei>, with
  61 <ei>sin^2(theta_W) = 0.23</ei>. Without universality
  62 the same eight numbers have to be set separately also for the
  63 second and the third generation. The choice of fixed axial and
  64 vector couplings implies a resonance width that increases linearly
  65 with the <ei>Z'^0</ei> mass.
  66
  67 <p/>
  68 By a suitable choice of the parameters, it is possible to simulate
  69 just about any imaginable <ei>Z'^0</ei> scenario, with full
  70 interference effects in cross sections and decay angular
  71 distributions and generation-dependent couplings; the default values
  72 should mainly be viewed as placeholders. The conversion
  73 from the coupling conventions in a set of different <ei>Z'^0</ei>
  74 models in the literature to those used in PYTHIA is described by
  75 <a href="http://www.hep.uiuc.edu/home/catutza/nota12.ps">C.
  76 Ciobanu et al.</a>
  77
  78 <flag name="Zprime:universality" default="on">
  79 If on then you need only set the first-generation couplings
  80 below, and these are automatically also used for the second and
  81 third generation. If off, then couplings can be chosen separately
  82 for each generation.
  83 </flag>
  84
  85 <p/>
  86 Here are the couplings always valid for the first generation,
  87 and normally also for the second and third by trivial analogy:
  88
  89 <parm name="Zprime:vd" default="-0.693">
  90 vector coupling of <ei>d</ei> quarks.
  91 </parm>
  92
  93 <parm name="Zprime:ad" default="-1.">
  94 axial coupling of <ei>d</ei> quarks.
  95 </parm>
  96
  97 <parm name="Zprime:vu" default="0.387">
  98 vector coupling of <ei>u</ei> quarks.
  99 </parm>
 100
 101 <parm name="Zprime:au" default="1.">
 102 axial coupling of <ei>u</ei> quarks.
 103 </parm>
 104
 105 <parm name="Zprime:ve" default="-0.08">
 106 vector coupling of <ei>e</ei> leptons.
 107 </parm>
 108
 109 <parm name="Zprime:ae" default="-1.">
 110 axial coupling of <ei>e</ei> leptons.
 111 </parm>
 112
 113 <parm name="Zprime:vnue" default="1.">
 114 vector coupling of <ei>nu_e</ei> neutrinos.
 115 </parm>
 116
 117 <parm name="Zprime:anue" default="1.">
 118 axial coupling of <ei>nu_e</ei> neutrinos.
 119 </parm>
 120
 121 <p/>
 122 Here are the further couplings that are specific for
 123 a scenario with <code>Zprime:universality</code> swiched off:
 124
 125 <parm name="Zprime:vs" default="-0.693">
 126 vector coupling of <ei>s</ei> quarks.
 127 </parm>
 128
 129 <parm name="Zprime:as" default="-1.">
 130 axial coupling of <ei>s</ei> quarks.
 131 </parm>
 132
 133 <parm name="Zprime:vc" default="0.387">
 134 vector coupling of <ei>c</ei> quarks.
 135 </parm>
 136
 137 <parm name="Zprime:ac" default="1.">
 138 axial coupling of <ei>c</ei> quarks.
 139 </parm>
 140
 141 <parm name="Zprime:vmu" default="-0.08">
 142 vector coupling of <ei>mu</ei> leptons.
 143 </parm>
 144
 145 <parm name="Zprime:amu" default="-1.">
 146 axial coupling of <ei>mu</ei> leptons.
 147 </parm>
 148
 149 <parm name="Zprime:vnumu" default="1.">
 150 vector coupling of <ei>nu_mu</ei> neutrinos.
 151 </parm>
 152
 153 <parm name="Zprime:anumu" default="1.">
 154 axial coupling of <ei>nu_mu</ei> neutrinos.
 155 </parm>
 156
 157 <parm name="Zprime:vb" default="-0.693">
 158 vector coupling of <ei>b</ei> quarks.
 159 </parm>
 160
 161 <parm name="Zprime:ab" default="-1.">
 162 axial coupling of <ei>b</ei> quarks.
 163 </parm>
 164
 165 <parm name="Zprime:vt" default="0.387">
 166 vector coupling of <ei>t</ei> quarks.
 167 </parm>
 168
 169 <parm name="Zprime:at" default="1.">
 170 axial coupling of <ei>t</ei> quarks.
 171 </parm>
 172
 173 <parm name="Zprime:vtau" default="-0.08">
 174 vector coupling of <ei>tau</ei> leptons.
 175 </parm>
 176
 177 <parm name="Zprime:atau" default="-1.">
 178 axial coupling of <ei>tau</ei> leptons.
 179 </parm>
 180
 181 <parm name="Zprime:vnutau" default="1.">
 182 vector coupling of <ei>nu_tau</ei> neutrinos.
 183 </parm>
 184
 185 <parm name="Zprime:anutau" default="1.">
 186 axial coupling of <ei>nu_tau</ei> neutrinos.
 187 </parm>
 188
 189 <p/>
 190 The coupling to the decay channel <ei>Z'^0 -> W^+ W^-</ei> is
 191 more model-dependent. By default it is therefore off, but can be
 192 switched on as follows. Furthermore, we have left some amount of
 193 freedom in the choice of decay angular correlations in this
 194 channel, but obviously alternative shapes could be imagined.
 195
 196 <parm name="Zprime:coup2WW" default="0." min="0.">
 197 the coupling <ei>Z'^0 -> W^+ W^-</ei> is taken to be this number
 198 times <ei>m_W^2 / m_Z'^2</ei> times the <ei>Z^0 -> W^+ W^-</ei>
 199 coupling. Thus a unit value corresponds to the
 200 <ei>Z^0 -> W^+ W^-</ei> coupling, scaled down by a factor
 201 <ei>m_W^2 / m_Z'^2</ei>, and gives a <ei>Z'^0</ei> partial
 202 width into this channel that again increases linearly. If you
 203 cancel this behaviour, by letting <code>Zprime:coup2WW</code> be
 204 proportional to <ei>m_Z'^2 / m_W^2</ei>, you instead obtain a
 205 partial width that goes like the fifth power of the <ei>Z'^0</ei>
 206 mass. These two extremes correspond to the "extended gauge model"
 207 and the "reference model", respectively, of <ref>Alt89</ref>.
 208 Note that this channel only includes the pure <ei>Z'</ei> part,
 209 while <ei>f fbar -> gamma^*/Z^*0 -> W^+ W^-</ei> is available
 210 as a separate electroweak process.
 211 </parm>
 212
 213 <parm name="Zprime:anglesWW" default="0." min="0." max="1.">
 214 in the decay chain <ei>Z'^0 -> W^+ W^- ->f_1 fbar_2 f_3 fbar_4</ei>
 215 the decay angular distributions is taken to be a mixture of two
 216 possible shapes. This parameter gives the fraction that is distributed
 217 as in Higgs <ei>h^0 -> W^+ W^-</ei> (longitudinal bosons),
 218 with the remainder (by default all) is taken to be the same as for
 219 <ei>Z^0 -> W^+ W^-</ei> (a mixture of transverse and longitudinal
 220 bosons).
 221 </parm>
 222
 223 <p/>
 224 A massive <ei>Z'^0</ei> is also likely to decay into Higgses
 225 and potentially into other now unknown particles. Such possibilities
 226 clearly are quite model-dependent, and have not been included
 227 for now.
 228
 229 <h3><ei>W'^+-</ei></h3>
 230
 231 The <ei>W'^+-</ei> implementation is less ambitious than the
 232 <ei>Z'^0</ei>. Specifically, while indirect detection of a
 233 <ei>Z'^0</ei> through its interference contribution is
 234 a possible discovery channel in lepton colliders, there is no
 235 equally compelling case for <ei>W^+-/W'^+-</ei> interference
 236 effects being of importance for discovery, and such interference
 237 has therefore not been implemented for now. Related to this, a
 238 <ei>Z'^0</ei> could appear on its own in a new <ei>U(1)</ei> group,
 239 while <ei>W'^+-</ei> would have to sit in a <ei>SU(2)</ei> group
 240 and thus have a <ei>Z'^0</ei> partner that is likely to be found
 241 first. Only one process is implemented but, like for the
 242 <ei>W^+-</ei>, the ISR showers contain automatic matching to the
 243 <ei>W'^+-</ei> + 1 jet matrix elements.
 244
 245 <flag name="NewGaugeBoson:ffbar2Wprime" default="off">
 246 Scattering <ei>f fbar' -> W'^+-</ei>.
 247 Code 3021.
 248 </flag>
 249
 250 <p/>
 251 The couplings of the <ei>W'^+-</ei> are here assumed universal,
 252 i.e. the same for all generations. One may set vector and axial
 253 couplings freely, separately for the <ei>q qbar'</ei> and the
 254 <ei>l nu_l</ei> decay channels. The defaults correspond to the
 255 <ei>V - A</ei> structure and normalization of the Standard Model
 256 <ei>W^+-</ei>, but can be changed to simulate a wide selection
 257 of models. One limitation is that, for simplicity, the same
 258 Cabibbo--Kobayashi--Maskawa quark mixing matrix is assumed as for
 259 the standard <ei>W^+-</ei>. Depending on your assumed neutrino
 260 nature you may want to restrict your freedom in the lepton sector,
 261 but no limitations are enforced by the program.
 262
 263 <parm name="Wprime:vq" default="1.">
 264 vector coupling of quarks.
 265 </parm>
 266
 267 <parm name="Wprime:aq" default="-1.">
 268 axial coupling of quarks.
 269 </parm>
 270
 271 <parm name="Wprime:vl" default="1.">
 272 vector coupling of leptons.
 273 </parm>
 274
 275 <parm name="Wprime:al" default="-1.">
 276 axial coupling of leptons.
 277 </parm>
 278
 279 <p/>
 280 The coupling to the decay channel <ei>W'^+- -> W^+- Z^0</ei> is
 281 more model-dependent, like for <ei>Z'^0 -> W^+ W^-</ei> described
 282 above. By default it is therefore off, but can be
 283 switched on as follows. Furthermore, we have left some amount of
 284 freedom in the choice of decay angular correlations in this
 285 channel, but obviously alternative shapes could be imagined.
 286
 287 <parm name="Wprime:coup2WZ" default="0." min="0.">
 288 the coupling <ei>W'^0 -> W^+- Z^0</ei> is taken to be this number
 289 times <ei>m_W^2 / m_W'^2</ei> times the <ei>W^+- -> W^+- Z^0</ei>
 290 coupling. Thus a unit value corresponds to the
 291 <ei>W^+- -> W^+- Z^0</ei> coupling, scaled down by a factor
 292 <ei>m_W^2 / m_W'^2</ei>, and gives a <ei>W'^+-</ei> partial
 293 width into this channel that increases linearly with the
 294 <ei>W'^+-</ei> mass. If you cancel this behaviour, by letting
 295 <code>Wprime:coup2WZ</code> be proportional to <ei>m_W'^2 / m_W^2</ei>,
 296 you instead obtain a partial width that goes like the fifth power
 297 of the <ei>W'^+-</ei> mass. These two extremes correspond to the
 298 "extended gauge model" and the "reference model", respectively,
 299 of <ref>Alt89</ref>.
 300 </parm>
 301
 302 <parm name="Wprime:anglesWZ" default="0." min="0." max="1.">
 303 in the decay chain <ei>W'^+- -> W^+- Z^0 ->f_1 fbar_2 f_3 fbar_4</ei>
 304 the decay angular distributions is taken to be a mixture of two
 305 possible shapes. This parameter gives the fraction that is distributed
 306 as in Higgs <ei>H^+- -> W^+- Z^0</ei> (longitudinal bosons),
 307 with the remainder (by default all) is taken to be the same as for
 308 <ei>W^+- -> W^+- Z^0</ei> (a mixture of transverse and longitudinal
 309 bosons).
 310 </parm>
 311
 312 <p/>
 313 A massive <ei>W'^+-</ei> is also likely to decay into Higgses
 314 and potentially into other now unknown particles. Such possibilities
 315 clearly are quite model-dependent, and have not been included
 316 for now.
 317
 318 <h3><ei>R^0</ei></h3>
 319
 320 The <ei>R^0</ei> boson (particle code 41) represents one possible
 321 scenario for a horizontal gauge boson, i.e. a gauge boson
 322 that couples between the generations, inducing processes like
 323 <ei>s dbar -> R^0 -> mu^- e^+</ei>. Experimental limits on
 324 flavour-changing neutral currents forces such a boson to be fairly
 325 heavy. In spite of being neutral the antiparticle is distinct from
 326 the particle: one carries a net positive generation number and
 327 the other a negative one. This particular model has no new
 328 parameters beyond the <ei>R^0</ei> mass. Decays are assumed isotropic.
 329 For further details see <ref>Ben85</ref>.
 330
 331 <flag name="NewGaugeBoson:ffbar2R0" default="off">
 332 Scattering <ei>f_1 fbar_2 -> R^0 -> f_3 fbar_4</ei>, where
 333 <ei>f_1</ei> and <ei>fbar_2</ei> are separated by <ei>+-</ei> one
 334 generation and similarly for <ei>f_3</ei> and <ei>fbar_4</ei>.
 335 Thus possible final states are e.g. <ei>d sbar</ei>, <ei>u cbar</ei>
 336 <ei>s bbar</ei>, <ei>c tbar</ei>, <ei>e- mu+</ei> and
 337 <ei>mu- tau+</ei>.
 338 Code 3041.
 339 </flag>
 340
 341 </chapter>
 342
 343 <!-- Copyright (C) 2008 Torbjorn Sjostrand -->
 344