[論文レビュー] Discovery potential of Kaluza-Klein gluons at hadron colliders: A Snowmass whitepaper

Kyoungchul Kong, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、14 TeV から 100 TeV の中心エネルギーを持つハドロン衝突機における、ユニバーサル・エキストラ次元（UED）モデルを用いたカユーツァ＝クライングルーオンの二ジェット共鳴状態としての発見可能性を評価している。将来の衝突機、特に 100 TeV の装置では、数 TeV までの KK グルーオン質量を探索可能であり、モデルパラメータ（カットオフスケールや境界項）に応じて、標準模型の強い結合定数の数パーセント程度の結合定数に対しても感度が及ぶことが判明した。

ABSTRACT

We investigate the discovery potential of Kaluza-Klein gluons as a dijet resonance at hadron colliders with different center-of-mass energies, from 14 TeV to 33 TeV to 100 TeV. We also present the current bounds from dijet searches at UA2, Tevatron, and LHC.

研究の動機と目的

• 14 TeV、33 TeV、100 TeV の中心エネルギーを持つ将来のハドロン衝突機において、カユーツァ＝クライングルーオンが二ジェット共鳴状態として発見可能かどうかを評価すること。
• UA2、テバトロン、LHC における二ジェット探索から得られる現在の実験的制限を、最小限の UED モデルと次に最小限の UED モデルにおけるレベル2 KK グルーオンに対して評価すること。
• カットオフスケール $\Lambda$、追加次元の半径 $R$、境界項およびフェルミオンのバルク質量項の間の相互作用が、KK グルーオンの結合定数と質量スペクトルに与える影響を調査すること。
• 異なる衝突エネルギーと光度に対して、$R^{-1}$–$\Lambda R$ 平面および $R^{-1}$–$\mu L$ 平面における $5\sigma$ 発見感度と 95% 確信区間の除外限界を予測すること。
• 高エネルギー衝突機が、特に境界パrameterが非ゼロの NMUED モデルにおいて、小さな結合定数に対しても質量感度を著しく向上させることを示すこと。

提案手法

• 最小限のユニバーサル・エキストラ次元（MUED）および次に最小限の UED（NMUED）モデルを用い、5次元標準模型ラグランジアンを $S^1/\mathbb{Z}_2$ オルビフォールドにコンパクト化することで、カユーツァ＝クライン（KK）モードを生成する。
• レベル2 KK グルーオンのスミス模型クォークへのトレースレベル結合定数を、有効相互作用頂点 $g_{200} = g_{\rm SM} F^{2}_{00}(x=\mu L)$ を用いて計算する。ここで $F^{2}_{00}$ はバルク質量パラメータ $\mu L$ に依存する。
• 電弱スケールからカットオフスケール $\Lambda$ までの摂動的整合化を用いて KK 質量スペクトルを決定し、$m_{A_n} = \sqrt{k_n^2 + m_0^2}$ で与えられる。ここで $k_n$ は、奇数 $n$ に対して $\cot(k_n L) = r k_n$、偶数 $n$ に対して $\tan(k_n L) = -r k_n$ を満たす。
• Dobrescu らの色八重項ベクトル共鳴状態解析からの感度予測を KK グルーオン状況に適用し、モデル固有の結合定数を反映させるために $F^{2}_{00}$ による再重み付けを施す。
• 14 TeV、33 TeV、100 TeV の衝突機において、10 fb$^{-1}$、300 fb$^{-1}$、3 ab$^{-1}$ の積分光度を用いて、発見および除外限界を予測する。
• NMUED に拡張する際には、境界パラメータ $r/L$ およびバルク質量 $\mu L$ を変化させ、それらが結合定数の強さと質量スケールの探査範囲に与える影響を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MUED モデルにおいて、14 TeV、33 TeV、100 TeV のハドロン衝突機で、レベル2 カユーツァ＝クライングルーオンが二ジェット共鳴状態として $5\sigma$ 発見可能となる範囲はどの程度か？
• RQ2 UA2、テバトロン、LHC からの現在の実験的制限は、MUED の $R^{-1}$–$\Lambda R$ パラメータ空間にどの程度制限を及ぼすか？
• RQ3 NMUED における境界項（$r/L$）およびバルクフェルミオン質量（$\mu L$）の導入が、レベル2 KK グルーオンの結合定数と質量スペクトルに与える影響は何か？
• RQ4 マルチジェットトリガーの閾値が、小さな結合定数を持つ軽い KK グルーオンに対する将来的な衝突機の感度をどの程度制限するか？
• RQ5 特に、標準模型の強い結合定数の 1% 未満の結合定数を持つ KK グルーオンに対して、発見可能性は衝突エネルギーと光度にどのように依存するか？

主な発見

• 14 TeV の LHC で 3 ab$^{-1}$ の積分光度を用いる場合、$\Lambda R \approx 10$ を探査可能であり、現在の限界（$\Lambda R \approx 20$ にわずかに達する程度）を大幅に超える。
• MUED において、$\Lambda R \approx 10$ 未満の感度曲線は、$g_{200} \sim 0.01 g_3$ の小さな結合定数によって支配されており、低質量領域での発見可能性が抑制されている。
• 100 TeV の衝突機では、数 TeV までの KK グルーオン質量を発見可能であり、小さな結合定数に対しても低エネルギー装置に比べて質量探査範囲が著しく優れている。
• NMUED で $r/L = 0$ の場合、現在の制限は $\mu L > -0.2$ を制限しており、将来的な衝突機では $\mu L \approx -0.05$ まで探査可能となり、これは標準模型の強い結合定数の数パーセント程度の結合定数に対応する。
• $r/L = 0.2$ の場合、感度曲線は $R^{-1}$ の高い領域にシフトし、質量方向に伸びる。境界項がパラメータ空間の利用可能領域を変化させ、特定の領域での分解能を向上させることを示している。
• UED モデルにおける KK モードの繰り返しは、将来的な共鳴状態探索が質量スケールに加え、カットオフスケール $\Lambda$ および境界項パラメータに対しても制約を提供できることを示しており、多次元的制約が得られる。