[論文レビュー] Exotic Implications of Electron and Photon Final States

Lisa Randall, Mark B. Wise|ArXiv.org|Jul 10, 2008

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、TeVスケールの励起状態が $e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 終状態に同等の分支比で崩壊することから、電子が新しい物理と直接結合していることを示しており、直接電子相互作用を持たないスピン1またはスピン0モデルを除外する。ランダム・サンズのカルトゥーラ・クライン重力子は、唯一 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ の比を予測するため、スピン測定が不要な状況で同定可能である。

ABSTRACT

New resonances with masses of order a few ${ m TeV}$ might be discovered at the LHC. We show that no resonance that couples to electrons only through Standard Model interactions can decay to both $e^+e^-$and $γγ$ with significant branching ratios. This means that finding both electron-positron and two-photon final states is evidence that electrons couple directly to the new physics associated with the resonance and furthermore that the resonance is not spin-1. The least fine-tuned such examples involve electron compositeness. One such example, Kaluza Klein excitations of the graviton in the version of the Randall Sundrum Model where Standard Model matter is located on the ${ m TeV}$ brane, can be distinguished from other possibilities by its predicted branching fractions into the two modes.

研究の動機と目的

• TeVスケールの励起状態が $e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 終状態に顕著な分支比で崩壊する場合、それが電子が新しい物理と直接結合することを示すかを特定すること。
• $e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ に同等の分支比を持つのを自然に支持できる理論的モデルを同定すること。
• 電子に直接結合する励起状態と、標準模型（SM）の相互作用を介してのみ崩壊する励起状態を区別する選択則を確立すること。
• ランダム・サンズのKK重力子が、予測された分支比比 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ によって、唯一同定可能であることを示すこと。
• 相対的分支比を用いた、LHCにおける新しい物理をモデルに依存しない方法で探査する強固な手法を提供すること。

提案手法

• スピン0、スピン1、スピン2の励起状態が $e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 終状態に崩壊する一次の振幅を解析すること。
• スピン0励起状態の $e^+e^-$ 崩壊振幅が電子質量 $m_e$ に比例し、質量ゼロ極限で消えることから、ヘリシティ抑制の議論を適用すること。
• 有効場理論を用いて、KK重力子がSMのストレステンソルに $\mathcal{L}_{\text{int}} = \kappa h^{\text{KK}}_{\mu\nu} T^{\mu\nu}_{\text{SM}}$ として結合することをモデル化すること。
• 表1の $f$ 要素を用いて、 $\Gamma = \kappa^2 f M^3 / (80\pi)$ の式で崩壊率を計算すること。
• 異なる終状態間の分支比を比較し、RS KK重力子に対して $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ の予測を導出すること。
• フラバー変換過程からの制約を適用し、ゲージ対称性や複合性によって保護されていない限り、ほとんどのモデルでは直接電子結合を除外すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子がSM相互作用を介してのみ励起状態に結合する場合、$e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 終状態に顕著な分支比で崩壊する励起状態は存在可能か？
• RQ2 TeVスケールの励起状態において、$e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 終状態の同時観測を支配する選択則は何か？
• RQ3 なぜランダム・サンズのKK重力子は、その分支比比 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ によって唯一同定可能なのか？
• RQ4 電子の複合性または新しい物理への直接結合が、$e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ への分支比にどのように影響を与えるか？
• RQ5 相対的分支比は、LHCにおけるスピン測定の代替として有効な手法とみなせるか？

主な発見

• 電子質量を無視した場合、スピン0励起状態はヘリシティ抑制のため、一次のレベルで $e^+e^-$ に崩壊する顕著な分支比を持てない。
• $e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ に同等の分支比で崩壊する励起状態は、電子が新しい物理と直接結合している必要があり、SMを介した崩壊は除外される。
• 同等の分支比を自然に説明できる唯一の既知の状況は、ブレーン局在化されたSM場を持つランダム・サンズのKK重力子である。
• RS KK重力子は、表1の $f$ 要素から導かれるように、正確な分支比比 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ を予測する。
• この比のおかげで、スピン測定がなくてもRS KK重力子の同定が可能となり、強力な実験的シグネーチャーを提供する。
• SM終状態のみを考慮した場合、予測される分支比は $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to e^+e^-) \simeq 0.022$ および $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to \gamma\gamma) \simeq 0.044$ である。