[論文レビュー] Fermion Pair Production in SO(5) x U(1) Gauge-Higgs Unification Models

Jongmin Yoon, Michael E. Peskin|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、$SO(5)\times U(1)$ゲージ・ヒッグス統一に基づく5次元ワープした時空モデルにおいて、$e^+e^-$衝突におけるフェルミオン対生成断面積を計算し、新物理効果を解析的に探るための新規グリーン関数法を用いる。$b\bar{b}$および$t\bar{t}$生成断面積は、250 GeVで標準模型とは区別可能な方法でずれることが示され、$b$クォーク質量生成メカニズムに依存する。250 GeVの中心系エネルギーでもすでに観測可能な効果が存在する。

ABSTRACT

We compute fermion pair production cross sections in $e^+e^-$ annihilation in models of electroweak symmetry breaking in warped 5-dimensional space. Our analysis is based on a framework with no elementary scalars, only gauge bosons and fermions in the bulk. We apply a novel Green's function method to obtain an analytic understanding of the new physics effects across the parameter space. We present results for $e^+e^- o b\bar b$ and $e^+e^- o t\bar t$. The predicted effects will be visible in precision measurements. Different models of $b$ quark mass generation can be distinguished by these measurements already at 250 GeV in the center of mass.

研究の動機と目的

• 5次元ワープ時空における$SO(5)\times U(1)$ゲージ・ヒッグス統一の事象的特徴を、特に$e^+e^-$衝突過程において調査すること。
• 異なる$ b $クォーク質量生成メカニズムが$ e^+e^-\to b\bar{b} $断面積に与える影響を特定し、250 GeVでそれが観測可能かどうかを評価すること。
• トップクォーク対生成への分析を拡張し、$ t\bar{t} $最終状態における新物理効果の検出可能性を評価すること。
• 本モデルの全パラメータ空間にわたるフェルミオン対生成断面積を解析的に計算するための新規グリーン関数法の開発と応用。

提案手法

• 本稿では、初期状態ヒッグスを含まない、ボリュームゲージ場およびフェルミオンを有する5次元ランダール＝サンダースモデルを用い、$SO(5)\times U(1)$ゲージ対称性を仮定する。
• 中性ゲージボソンの伝播関数を計算するための新規グリーン関数技術を適用し、パラメータ空間における解析的制御を可能にする。
• 境界条件と境界項の運動エネルギーを適切に取り入れた5次元ディラック方程式を解くことで、物理的フェルミオン波動関数を構築する。
• フェルミオン波動関数とゲージボソン伝播関数の畳み込みにより、$e^+e^-\to f\bar{f}$のスピン依存断面積を計算する。
• $s^2$および$m_f^2 z_R^2$のべき級数展開を用い、$s = \sin\theta$を小さな展開パラメータとして扱う。
• 特に$SO(5)$の5表現または4表現に$t,b$が属する複数の$ b $クォーク質量生成スキームを検討し、それらに起因する断面積のずれを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $SO(5)\times U(1)$モデルにおける異なる$ b $クォーク質量生成メカニズムが、250 GeVでの$ e^+e^-\to b\bar{b} $断面積に与える影響は何か？
• RQ2 250 GeVでの$ e^+e^-\to b\bar{b} $の高精度測定は、異なる$ b $クォーク質量生成シナリオを区別できるか？
• RQ3 この$SO(5)\times U(1)$モデルにおける$ t\bar{t} $対生成断面積の予測されたずれは何か？また、500 GeVで観測可能か？
• RQ4 5次元ボリュームにおけるトップおよびボトムクォークの波動関数は、$e^+e^-\to f\bar{f}$過程のスピン構造にどのように寄与するか？
• RQ5 グリーン関数法は、モデルの全パラメータ空間に対する解析的洞察をどの程度提供できるか？

主な発見

• $e^+e^-\to b\bar{b}$断面積の標準模型からのずれは、250 GeVの中心系エネルギーで観測可能であり、$b$クォーク質量生成メカニズムに依存する。
• 特に$SO(5)$の5表現または4表現に$t,b$が属する異なる$ b $クォーク質量モデルは、$b\bar{b}$生成における明確で測定可能な断面積パターンをもたらす。
• $t\bar{t}$対生成断面積は標準模型から顕著にずれており、高精度$e^+e^-$衝突実験で発見可能なほど大きな効果を示す。
• 新規グリーン関数法により、全パラメータ空間にわたる断面積の解析的計算が可能となり、$s^2$抑制補正の構造が明らかになった。
• トップクォーク波動関数は、$\mathcal{O}(s^2)$で抑制される小さな$\chi_t$成分を含む$ t_L $および$ t_R $成分によって支配され、断面積計算では無視可能である。
• $t\bar{t}$断面積のずれはトップクォーク質量生成メカニズムおよび$SO(5)$表現の選択に敏感であり、500 GeVで観測可能な効果が期待される。