[論文レビュー] Collider Bounds on Pseudoscalars Coupling to Gauge Bosons

Matthew Kleban, Raúl Rabadán|ArXiv.org|Oct 13, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、テバトロンでのモノジェット＋欠落エネルギー（E_T）イベントおよびe⁺e⁻衝突機でのシングルフォトン＋欠落エネルギー（E_T）イベントを用いて、擬スカラーがゲージボソンとカップリングする場合のコライダー由来の制約を設定している。既存の制限に比べて最大2桁の改善が得られ、将来のLHCおよびSuperKEKBのデータでは、m_ϕ < 0.28 GeVの場合にg < 1.9 × 10⁻⁶ GeV⁻¹のカップリングを探索可能になると予想されている。

ABSTRACT

We bound the coupling of pseudo-scalar particles to Tr G^G_{QCD} using (the lack of) monojet plus missing E_T events at the Tevatron, and estimate the bounds obtainable from LHC. In addition, we revisit the bounds on the coupling to F^F_{EM} from e^+e^- collider events with single photon and missing E_T final states. This is especially interesting in light of the recent experimental results from the PVLAS collaboration, which we believe can be tested by data which will be available in the near future.

研究の動機と目的

• 既存および将来のコライダー・データを用いて、モデルに依存しない形で擬スカラーがグルーオンおよび光子とカップリングする場合の制約を確立すること。
• 最近のPVLAS実験の結果が、g ~ 10⁻⁶ GeV⁻¹の軽い擬スカラーを示唆していることに鑑み、カップリング定数gに関する既存の実験的制限を改善すること。
• モノジェット＋欠落エネルギーまたはシングルフォトン＋欠落エネルギーの最終状態を介して、擬スカラーを検出可能な現在および将来の実験（テバトロン、LEP、PEP-II、KEKB、SuperKEKB、LHC）の感度を評価すること。
• 検出器のサイズや粒子の寿命といった検出器効果を考慮し、擬スカラーが検出器内で崩壊しないようにするための最小移動距離を確保すること。

提案手法

• ハドロン衝突機（テバトロン、LHC）におけるモノジェット＋欠落エネルギー（E_T）イベントを用い、(1/16π) × (α_s/f) × φ × ε_μνρσ × G^μν_a × G^ρσ_a の相互作用項を通じて、擬スカラーがグルーオンとカップルする場合のカップリングを制約する。
• e⁺e⁻衝突機（LEP、PEP-II、KEKB、SuperKEKB）におけるシングルフォトン＋欠落エネルギー（E_T）イベントを分析し、g/8 × φ × ε_μνρσ × F^μν × F^ρσ の相互作用項を通じて、擬スカラーが光子とカップルする場合のカップリングを制約する。
• 標準模型のバックグラウンド（γνν̄ や B̄B̄ プロセスなど）を抑制するため、特に高いフォトンエネルギー（E_γ > 0.985 × E_beam）と限られた準垂直度（|η| < 2）を要件とする厳しい運動量的カットを適用する。
• 微小なQCDおよび電弱振幅を用いて信号およびバックグラウンド断面積を推定し、信号断面積はg²に比例する一方、エネルギー分解能と角度カットによってバックグラウンドを最小限に抑える。
• ポisson統計を用いて95%信頼区間を適用し、標準模型の期待を超える信号が観測されないものと仮定して、gの上界を導出する。
• 擬スカラーが検出器を通過するようにするため、検出器効率を考慮し、exp(−LΓ/γ) の要因を含める（L ≈ 10 mは検出器長、Γは崩壊幅、γはローレンツ因子）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおけるモノジェット＋欠落エネルギー（E_T）シグネチャーを用いて、擬スカラーがグルーオンとカップルする場合の現在のコライダー由来の制約は何か？
• RQ2 ALEPH、OPAL、L3、DELPHIのLEPデータを再分析することで、擬スカラーが光子とカップルする場合の制約をどのように改善できるか？
• RQ3 PDP-II、KEKB、SuperKEKBといった将来のe⁺e⁻衝突機では、その全光度およびエネルギー分解能を考慮して、感度にどの程度の向上が見込まれるか？
• RQ4 擬スカラーのカップリング制約gは、PVLASが報告した信号と比較してどのように異なるか？また、将来のデータはこの異常を検証可能か？
• RQ5 LHCはモノジェット＋欠落エネルギー（E_T）シグネチャーを用いて、グルーオンとカップルする擬スカラーに対してどの程度の感度を持つと予想されるか？

主な発見

• テバトロンのDØデータを用いて、QCD軸子のカップリングパラメータf > 35 GeV の制約を設定した。これは、擬スカラーがTr(G ∧ G_QCD) を通じてグルーオンとカップルすると仮定した場合の結果である。
• より厳しいフォトンエネルギーカット（√s = 188–209 GeVでE_γ > 91 GeV）を適用してALEPHデータを再分析した結果、m_ϕ < 48 MeV の場合にg < 2.6 × 10⁻⁴ GeV⁻¹ の制約が得られた。
• ALEPH、L3、OPAL、DELPHIのデータを統合した結果、より高い全光度と信号対バックグラウンド比のおかげで、m_ϕ < 65 MeV の場合にg < 1.5 × 10⁻⁴ GeV⁻¹ の制約が得られた。
• PEP-IIデータ（統合全光度312 fb⁻¹）を用い、フォトンエネルギーおよび準垂直度にカットを適用した結果、m_ϕ < 0.12 GeV の場合に95%信頼区間でg < 8.9 × 10⁻⁶ GeV⁻¹ の制約が得られた。
• KEKBではL = 5 × 10⁵ pb⁻¹の場合にg < 8.2 × 10⁻⁶ GeV⁻¹（m_ϕ < 0.13 GeV）、L = 1.0 × 10⁶ pb⁻¹ の場合にはg < 5.9 × 10⁻⁶ GeV⁻¹ に改善された。
• SuperKEKBでは2年間でL = 1.0 × 10⁷ pb⁻¹ の全光度を想定した場合、m_ϕ < 0.28 GeV の場合にg < 1.9 × 10⁻⁶ GeV⁻¹ の予想制約が得られ、現在の制限に比べて約10倍の改善が見込まれる。