[論文レビュー] Collider Implications of Kaluza-Klein Excitations of the Electroweak Gauge Bosons

C. D. McMullen, Soumitra Nandi|ArXiv.org|Oct 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、標準模型（SM）ゲージボソンが1つのTeV⁻¹サイズの余剰次元に渡って存在するモデルにおける電弱ゲージボソンのカルラツ＝クライン（KK）励起状態の衝突機器シグネチャを調査している。高エネルギーe⁺e⁻衝突機において、これらのKK状態はミューオン対生成断面積を最大20%まで減少させるとともに、ヒッグス粒子生成を顕著に増幅させ、その塔構造的スペクトルと普遍的カップリングのおかげでZ′モデルとは明確に異なる特徴的なシグネチャを示す。

ABSTRACT

It is possible for the SM fields to propagate into one or more large extra compact dimensions. Such fields have associated KK excitations that produce additional contributions to the SM processes. We calculate the effects that these KK excitations have on cross sections for $e^{+}e^{-}$ collider processes in a model in which the SM gauge bosons, and perhaps the Higgs, can propagate into one TeV$^{-1}$-size extra compact dimension. Specifically, we consider muon pair production, Bhabha scattering, dijet production, Higgs production, and single-photon production. At prospective high energy $e^{+}e^{-}$ colliders, we find significant deviations from the SM cross sections: For example, a 600 GeV collider produces a 20% reduction in the cross section for muon pair production as compared to the SM for a compactification scale of 3.5 TeV. The effect is much smaller at LEP2 energies, where the compactification scale must be lower than 2 TeV in order to produce a 6% effect.

研究の動機と目的

• 1つの大きな余剰次元を有するモデルにおける電弱ゲージボソンのカルラツ＝クライン（KK）励起状態の素粒子物理学的意味を分析すること。
• これらのKK状態がミューオン対生成、バーハス散乱、ジジェット対生成、ヒッグス生成、および単一光子生成といったe⁺e⁻衝突過程の断面積に与える影響を特定すること。
• KK励起状態の衝突機シグネチャとZ′ボソンのそれとを、カップリング構造と共鳴スペクトルの観点から区別すること。
• 将来の高エネルギーe⁺e⁻衝突機が、数TeVに達するコンパクト化スケールまでどの程度感度を持つのかを評価すること。
• KK状態が仮想交換を通じてヒッグス粒子生成をどの程度増幅できるかを評価すること。

提案手法

• 標準模型（SM）ゲージボソン（およびヒッグス粒子が可能性として存在する）が1つの余剰次元に渡って存在するモデルを採用する。この余剰次元はμ ~ TeV⁻¹のスケールでコンパクト化される。
• 木レベルの交換図を用いて、光子（γₙ⋆）、Zボソン（Zₙ⋆）、Wボソン（Wₙ⋆）のKK励起状態の仮想交換によるe⁺e⁻過程における量子補正を計算する。
• 参考文献[4]の非対称コンパクト化シナリオを適用する。ここでは1つの大きな余剰次元（R⁻¹ ~ 10⁻³ eV）と1つのTeV⁻¹サイズの次元（r⁻¹ ~ 1 TeV）を組み合わせ、統一スケールM ~ 100 TeVを導く。
• 衝突エネルギー√sとコンパクト化スケールμの関数として断面積を評価し、SM（n=0）と最初のKKモード（n=1）の寄与の干渉に注目する。
• 標準模型（SM）の予測と比較し、カップリングの普遍性と共鳴間隔の観点からZ′ボソンモデルと対比する。
• 4次元プランクスケールと基本スケールM、コンパクト化半径の関係を表すスケーリング関係式$ M_P^2 = M^8 R r^5 $を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱ゲージボソンのカルラツ＝クライン励起状態は、高エネルギー衝突機におけるe⁺e⁻過程の断面積にどのように影響を及けるか？
• RQ2 標準模型ゲージボソンが1つのTeV⁻¹サイズの余剰次元に渡って存在する場合、将来のe⁺e⁻衝突機がコンパクト化スケールμに対してどの程度感度を持つのか？
• RQ3 KK励起状態はe⁺e⁻衝突においてヒッグス粒子生成をどの程度増幅できるか？
• RQ4 KK励起状態の衝突機シグネチャは、共鳴間隔とフェルミオンカップリングの観点からZ′ボソンとはどのように異なるか？
• RQ5 コンパクト化スケールμ ~ 3.5 TeVの場合、ミューオン対生成および他の過程における標準模型からの観測可能なずれはどの程度か？

主な発見

• 600 GeVのe⁺e⁻衝突機において、コンパクト化スケールが3.5 TeVの場合、標準模型（SM）と比較してミューオン対生成断面積が20%減少する。
• 500 GeVの衝突機では、最低位のKK励起状態の質量が約3 TeVのとき、ミューオン対生成断面積が20%減少する。
• 1 TeVの衝突機では、コンパクト化スケールが5 TeVまで達する場合に20%のずれが生じ、7 TeVまで達する場合には10%の効果が観測される。
• コンパクト化スケールが3 TeVの場合、ミューオン対生成断面積は標準模型の背景に対して50%も減少し、強い感度が示される。
• ヒッグス粒子が3-braneに閉じ込められている場合、仮想交換によるWₙ⋆およびZₙ⋆状態のおかげで、KK励起状態がヒッグス生成断面積を顕著に増幅させる。
• SMと最初のKKモードの干渉がずれの主因を占め、Z′ボソンに類似した効果を示すが、全塔構造の共鳴と√2のSMに対する普遍的カップリング（相対的強度）のおかげで、一般のZ′モデルとは明確に区別できる。