PYTHIA8/pythia8145/htmldoc/NewGaugeBosonProcesses.html

   1 <html>
   2 <head>
   3 <title>New-Gauge-Boson Processes</title>
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   6 </head>
   7 <body>
   8
   9 <h2>New-Gauge-Boson Processes</h2>
  10
  11 This page contains the production of new <i>Z'^0</i> and
  12 <i>W'^+-</i> gauge bosons, e.g. within the context of a new
  13 <i>U(1)</i> or <i>SU(2)</i> gauge group, and also a
  14 (rather speculative) horizontal gauge boson <i>R^0</i>.
  15 Left-right-symmetry scenarios also contain new gauge bosons,
  16 but are described
  17 <a href="LeftRightSymmetryProcesses.html" target="page">separately</a>.
  18
  19 <h3><i>Z'^0</i></h3>
  20
  21 This group only contains one subprocess, with the full
  22 <i>gamma^*/Z^0/Z'^0</i> interference structure for couplings
  23 to fermion pairs. It is possible to pick only a subset, e.g, only
  24 the pure <i>Z'^0</i> piece. No higher-order processes are
  25 available explicitly, but the ISR showers contain automatic
  26 matching to the <i>Z'^0</i> + 1 jet matrix elements, as for
  27 the corresponding <i>gamma^*/Z^0</i> process.
  28
  29 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> NewGaugeBoson:ffbar2gmZZprime &nbsp;</strong>
  30  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
  31 Scattering <i>f fbar ->Z'^0</i>.
  32 Code 3001.
  33
  34
  35 <p/><code>mode&nbsp; </code><strong> Zprime:gmZmode &nbsp;</strong>
  36  (<code>default = <strong>0</strong></code>; <code>minimum = 0</code>; <code>maximum = 6</code>)<br/>
  37 Choice of full <i>gamma^*/Z^0/Z'^0</i> structure or not in
  38 the above process. Note that, with the <i>Z'^0</i> part switched
  39 off, this process is reduced to what already exists among
  40 <a href="ElectroweakProcesses.html" target="page">electroweak processes</a>,
  41 so those options are here only for crosschecks.
  42 <br/><code>option </code><strong> 0</strong> : full <i>gamma^*/Z^0/Z'^0</i> structure,
  43 with interference included.
  44 <br/><code>option </code><strong> 1</strong> : only pure <i>gamma^*</i> contribution.
  45 <br/><code>option </code><strong> 2</strong> : only pure <i>Z^0</i> contribution.
  46 <br/><code>option </code><strong> 3</strong> : only pure <i>Z'^0</i> contribution.
  47 <br/><code>option </code><strong> 4</strong> : only the <i>gamma^*/Z^0</i> contribution,
  48 including interference.
  49 <br/><code>option </code><strong> 5</strong> : only the <i>gamma^*/Z'^0</i> contribution,
  50 including interference.
  51 <br/><code>option </code><strong> 6</strong> : only the <i>Z^0/Z'^0</i> contribution,
  52 including interference.
  53 <br/><b>Note</b>: irrespective of the option used, the particle produced
  54 will always be assigned code 32 for <i>Z'^0</i>, and open decay channels
  55 is purely dictated by what is set for the <i>Z'^0</i>.
  56
  57
  58 <p/>
  59 The couplings of the <i>Z'^0</i> to quarks and leptons can
  60 either be assumed universal, i.e. generation-independent, or not.
  61 In the former case eight numbers parametrize the vector and axial
  62 couplings of down-type quarks, up-type quarks, leptons and neutrinos,
  63 respectively. Depending on your assumed neutrino nature you may
  64 want to restrict your freedom in that sector, but no limitations
  65 are enforced by the program. The default corresponds to the same
  66 couplings as that of the Standard Model <i>Z^0</i>, with axial
  67 couplings <i>a_f = +-1</i> and vector couplings
  68 <i>v_f = a_f - 4 e_f sin^2(theta_W)</i>, with
  69 <i>sin^2(theta_W) = 0.23</i>. Without universality
  70 the same eight numbers have to be set separately also for the
  71 second and the third generation. The choice of fixed axial and
  72 vector couplings implies a resonance width that increases linearly
  73 with the <i>Z'^0</i> mass.
  74
  75 <p/>
  76 By a suitable choice of the parameters, it is possible to simulate
  77 just about any imaginable <i>Z'^0</i> scenario, with full
  78 interference effects in cross sections and decay angular
  79 distributions and generation-dependent couplings; the default values
  80 should mainly be viewed as placeholders. The conversion
  81 from the coupling conventions in a set of different <i>Z'^0</i>
  82 models in the literature to those used in PYTHIA is described by
  83 <a href="http://www.hep.uiuc.edu/home/catutza/nota12.ps">C.
  84 Ciobanu et al.</a>
  85
  86 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> Zprime:universality &nbsp;</strong>
  87  (<code>default = <strong>on</strong></code>)<br/>
  88 If on then you need only set the first-generation couplings
  89 below, and these are automatically also used for the second and
  90 third generation. If off, then couplings can be chosen separately
  91 for each generation.
  92
  93
  94 <p/>
  95 Here are the couplings always valid for the first generation,
  96 and normally also for the second and third by trivial analogy:
  97
  98 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vd &nbsp;</strong>
  99  (<code>default = <strong>-0.693</strong></code>)<br/>
 100 vector coupling of <i>d</i> quarks.
 101
 102
 103 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:ad &nbsp;</strong>
 104  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 105 axial coupling of <i>d</i> quarks.
 106
 107
 108 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vu &nbsp;</strong>
 109  (<code>default = <strong>0.387</strong></code>)<br/>
 110 vector coupling of <i>u</i> quarks.
 111
 112
 113 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:au &nbsp;</strong>
 114  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 115 axial coupling of <i>u</i> quarks.
 116
 117
 118 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:ve &nbsp;</strong>
 119  (<code>default = <strong>-0.08</strong></code>)<br/>
 120 vector coupling of <i>e</i> leptons.
 121
 122
 123 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:ae &nbsp;</strong>
 124  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 125 axial coupling of <i>e</i> leptons.
 126
 127
 128 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vnue &nbsp;</strong>
 129  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 130 vector coupling of <i>nu_e</i> neutrinos.
 131
 132
 133 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:anue &nbsp;</strong>
 134  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 135 axial coupling of <i>nu_e</i> neutrinos.
 136
 137
 138 <p/>
 139 Here are the further couplings that are specific for
 140 a scenario with <code>Zprime:universality</code> swiched off:
 141
 142 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vs &nbsp;</strong>
 143  (<code>default = <strong>-0.693</strong></code>)<br/>
 144 vector coupling of <i>s</i> quarks.
 145
 146
 147 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:as &nbsp;</strong>
 148  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 149 axial coupling of <i>s</i> quarks.
 150
 151
 152 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vc &nbsp;</strong>
 153  (<code>default = <strong>0.387</strong></code>)<br/>
 154 vector coupling of <i>c</i> quarks.
 155
 156
 157 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:ac &nbsp;</strong>
 158  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 159 axial coupling of <i>c</i> quarks.
 160
 161
 162 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vmu &nbsp;</strong>
 163  (<code>default = <strong>-0.08</strong></code>)<br/>
 164 vector coupling of <i>mu</i> leptons.
 165
 166
 167 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:amu &nbsp;</strong>
 168  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 169 axial coupling of <i>mu</i> leptons.
 170
 171
 172 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vnumu &nbsp;</strong>
 173  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 174 vector coupling of <i>nu_mu</i> neutrinos.
 175
 176
 177 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:anumu &nbsp;</strong>
 178  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 179 axial coupling of <i>nu_mu</i> neutrinos.
 180
 181
 182 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vb &nbsp;</strong>
 183  (<code>default = <strong>-0.693</strong></code>)<br/>
 184 vector coupling of <i>b</i> quarks.
 185
 186
 187 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:ab &nbsp;</strong>
 188  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 189 axial coupling of <i>b</i> quarks.
 190
 191
 192 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vt &nbsp;</strong>
 193  (<code>default = <strong>0.387</strong></code>)<br/>
 194 vector coupling of <i>t</i> quarks.
 195
 196
 197 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:at &nbsp;</strong>
 198  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 199 axial coupling of <i>t</i> quarks.
 200
 201
 202 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vtau &nbsp;</strong>
 203  (<code>default = <strong>-0.08</strong></code>)<br/>
 204 vector coupling of <i>tau</i> leptons.
 205
 206
 207 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:atau &nbsp;</strong>
 208  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 209 axial coupling of <i>tau</i> leptons.
 210
 211
 212 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:vnutau &nbsp;</strong>
 213  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 214 vector coupling of <i>nu_tau</i> neutrinos.
 215
 216
 217 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:anutau &nbsp;</strong>
 218  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 219 axial coupling of <i>nu_tau</i> neutrinos.
 220
 221
 222 <p/>
 223 The coupling to the decay channel <i>Z'^0 -> W^+ W^-</i> is
 224 more model-dependent. By default it is therefore off, but can be
 225 switched on as follows. Furthermore, we have left some amount of
 226 freedom in the choice of decay angular correlations in this
 227 channel, but obviously alternative shapes could be imagined.
 228
 229 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:coup2WW &nbsp;</strong>
 230  (<code>default = <strong>0.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
 231 the coupling <i>Z'^0 -> W^+ W^-</i> is taken to be this number
 232 times <i>m_W^2 / m_Z'^2</i> times the <i>Z^0 -> W^+ W^-</i>
 233 coupling. Thus a unit value corresponds to the
 234 <i>Z^0 -> W^+ W^-</i> coupling, scaled down by a factor
 235 <i>m_W^2 / m_Z'^2</i>, and gives a <i>Z'^0</i> partial
 236 width into this channel that again increases linearly. If you
 237 cancel this behaviour, by letting <code>Zprime:coup2WW</code> be
 238 proportional to <i>m_Z'^2 / m_W^2</i>, you instead obtain a
 239 partial width that goes like the fifth power of the <i>Z'^0</i>
 240 mass. These two extremes correspond to the "extended gauge model"
 241 and the "reference model", respectively, of [<a href="Bibliography.html" target="page">Alt89</a>].
 242 Note that this channel only includes the pure <i>Z'</i> part,
 243 while <i>f fbar -> gamma^*/Z^*0 -> W^+ W^-</i> is available
 244 as a separate electroweak process.
 245
 246
 247 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Zprime:anglesWW &nbsp;</strong>
 248  (<code>default = <strong>0.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>; <code>maximum = 1.</code>)<br/>
 249 in the decay chain <i>Z'^0 -> W^+ W^- ->f_1 fbar_2 f_3 fbar_4</i>
 250 the decay angular distributions is taken to be a mixture of two
 251 possible shapes. This parameter gives the fraction that is distributed
 252 as in Higgs <i>h^0 -> W^+ W^-</i> (longitudinal bosons),
 253 with the remainder (by default all) is taken to be the same as for
 254 <i>Z^0 -> W^+ W^-</i> (a mixture of transverse and longitudinal
 255 bosons).
 256
 257
 258 <p/>
 259 A massive <i>Z'^0</i> is also likely to decay into Higgses
 260 and potentially into other now unknown particles. Such possibilities
 261 clearly are quite model-dependent, and have not been included
 262 for now.
 263
 264 <h3><i>W'^+-</i></h3>
 265
 266 The <i>W'^+-</i> implementation is less ambitious than the
 267 <i>Z'^0</i>. Specifically, while indirect detection of a
 268 <i>Z'^0</i> through its interference contribution is
 269 a possible discovery channel in lepton colliders, there is no
 270 equally compelling case for <i>W^+-/W'^+-</i> interference
 271 effects being of importance for discovery, and such interference
 272 has therefore not been implemented for now. Related to this, a
 273 <i>Z'^0</i> could appear on its own in a new <i>U(1)</i> group,
 274 while <i>W'^+-</i> would have to sit in a <i>SU(2)</i> group
 275 and thus have a <i>Z'^0</i> partner that is likely to be found
 276 first. Only one process is implemented but, like for the
 277 <i>W^+-</i>, the ISR showers contain automatic matching to the
 278 <i>W'^+-</i> + 1 jet matrix elements.
 279
 280 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> NewGaugeBoson:ffbar2Wprime &nbsp;</strong>
 281  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
 282 Scattering <i>f fbar' -> W'^+-</i>.
 283 Code 3021.
 284
 285
 286 <p/>
 287 The couplings of the <i>W'^+-</i> are here assumed universal,
 288 i.e. the same for all generations. One may set vector and axial
 289 couplings freely, separately for the <i>q qbar'</i> and the
 290 <i>l nu_l</i> decay channels. The defaults correspond to the
 291 <i>V - A</i> structure and normalization of the Standard Model
 292 <i>W^+-</i>, but can be changed to simulate a wide selection
 293 of models. One limitation is that, for simplicity, the same
 294 Cabibbo--Kobayashi--Maskawa quark mixing matrix is assumed as for
 295 the standard <i>W^+-</i>. Depending on your assumed neutrino
 296 nature you may want to restrict your freedom in the lepton sector,
 297 but no limitations are enforced by the program.
 298
 299 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:vq &nbsp;</strong>
 300  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 301 vector coupling of quarks.
 302
 303
 304 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:aq &nbsp;</strong>
 305  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 306 axial coupling of quarks.
 307
 308
 309 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:vl &nbsp;</strong>
 310  (<code>default = <strong>1.</strong></code>)<br/>
 311 vector coupling of leptons.
 312
 313
 314 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:al &nbsp;</strong>
 315  (<code>default = <strong>-1.</strong></code>)<br/>
 316 axial coupling of leptons.
 317
 318
 319 <p/>
 320 The coupling to the decay channel <i>W'^+- -> W^+- Z^0</i> is
 321 more model-dependent, like for <i>Z'^0 -> W^+ W^-</i> described
 322 above. By default it is therefore off, but can be
 323 switched on as follows. Furthermore, we have left some amount of
 324 freedom in the choice of decay angular correlations in this
 325 channel, but obviously alternative shapes could be imagined.
 326
 327 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:coup2WZ &nbsp;</strong>
 328  (<code>default = <strong>0.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
 329 the coupling <i>W'^0 -> W^+- Z^0</i> is taken to be this number
 330 times <i>m_W^2 / m_W'^2</i> times the <i>W^+- -> W^+- Z^0</i>
 331 coupling. Thus a unit value corresponds to the
 332 <i>W^+- -> W^+- Z^0</i> coupling, scaled down by a factor
 333 <i>m_W^2 / m_W'^2</i>, and gives a <i>W'^+-</i> partial
 334 width into this channel that increases linearly with the
 335 <i>W'^+-</i> mass. If you cancel this behaviour, by letting
 336 <code>Wprime:coup2WZ</code> be proportional to <i>m_W'^2 / m_W^2</i>,
 337 you instead obtain a partial width that goes like the fifth power
 338 of the <i>W'^+-</i> mass. These two extremes correspond to the
 339 "extended gauge model" and the "reference model", respectively,
 340 of [<a href="Bibliography.html" target="page">Alt89</a>].
 341
 342
 343 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> Wprime:anglesWZ &nbsp;</strong>
 344  (<code>default = <strong>0.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>; <code>maximum = 1.</code>)<br/>
 345 in the decay chain <i>W'^+- -> W^+- Z^0 ->f_1 fbar_2 f_3 fbar_4</i>
 346 the decay angular distributions is taken to be a mixture of two
 347 possible shapes. This parameter gives the fraction that is distributed
 348 as in Higgs <i>H^+- -> W^+- Z^0</i> (longitudinal bosons),
 349 with the remainder (by default all) is taken to be the same as for
 350 <i>W^+- -> W^+- Z^0</i> (a mixture of transverse and longitudinal
 351 bosons).
 352
 353
 354 <p/>
 355 A massive <i>W'^+-</i> is also likely to decay into Higgses
 356 and potentially into other now unknown particles. Such possibilities
 357 clearly are quite model-dependent, and have not been included
 358 for now.
 359
 360 <h3><i>R^0</i></h3>
 361
 362 The <i>R^0</i> boson (particle code 41) represents one possible
 363 scenario for a horizontal gauge boson, i.e. a gauge boson
 364 that couples between the generations, inducing processes like
 365 <i>s dbar -> R^0 -> mu^- e^+</i>. Experimental limits on
 366 flavour-changing neutral currents forces such a boson to be fairly
 367 heavy. In spite of being neutral the antiparticle is distinct from
 368 the particle: one carries a net positive generation number and
 369 the other a negative one. This particular model has no new
 370 parameters beyond the <i>R^0</i> mass. Decays are assumed isotropic.
 371 For further details see [<a href="Bibliography.html" target="page">Ben85</a>].
 372
 373 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> NewGaugeBoson:ffbar2R0 &nbsp;</strong>
 374  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
 375 Scattering <i>f_1 fbar_2 -> R^0 -> f_3 fbar_4</i>, where
 376 <i>f_1</i> and <i>fbar_2</i> are separated by <i>+-</i> one
 377 generation and similarly for <i>f_3</i> and <i>fbar_4</i>.
 378 Thus possible final states are e.g. <i>d sbar</i>, <i>u cbar</i>
 379 <i>s bbar</i>, <i>c tbar</i>, <i>e- mu+</i> and
 380 <i>mu- tau+</i>.
 381 Code 3041.
 382
 383
 384 </body>
 385 </html>
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 388