[論文レビュー] Lorentz-symmetry violation in the electroweak sector: scattering processes in future $e^+ \, e^-$ colliders

Philipe De Fabritiis, P. C. Malta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2021

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 100被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、未来のTeVスケールe⁺e⁻衝突機におけるe⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ、γγ → W⁺W⁻の過程の階層的断面積計算を用いて、電弱相互作用系におけるCPT-奇性で非最小的 Lorentz対称性破れ（LSV）結合の影響を調査する。2つのLSV 4ベクトルρとξを導入し、ρ = ξとして統一することで、レプトン、ゲージボソン、ヒッグス粒子間の相互作用が修正される。その結果、LSV 4ベクトルの時間的成分に対する上限が ≲10⁻⁵ GeV⁻¹のオーダーで予想され、従来の制約と整合的であり、今後の衝突機がLorentz対称性破れに非常に感受することが示された。

ABSTRACT

We study CPT-odd non-minimal Lorentz-symmetry violating couplings in the electroweak sector modifying the interactions between leptons, gauge mediators and the Higgs boson. The tree-level (differential) cross sections for three important electroweak processes are discussed: $e^+ \, e^- ightarrow Z \, H$, $e^+ \, e^- ightarrow Z \, Z$ and $\gamma \, \gamma ightarrow W^+ \, W^-$. By considering next-generation $e^+ \, e^-$ colliders reaching center-of-mass energies at the TeV scale and the estimated improved precision for the measurements of the respective cross sections, we are able to project upper bounds on the purely time-like background 4-vector as strict as $\lesssim 10^{-5} \, \mbox{GeV}^{-1}$, in agreement with previous work on similar Lorentz-violating couplings.

研究の動機と目的

• CPT-奇性で非最小的 Lorentz対称性破れ（LSV）結合が電弱系に与える効果を現象論的に調査すること。
• SU(2)ₗおよびU(1)ᵧ系に独立した2つのLSV 4ベクトル（ρおよびξ）を導入し、ρ = ξとして統一することで、従来のLSV研究を拡張すること。
• 次世代e⁺e⁻衝突機が、主要な電弱過程の精密測定を通じてLSV効果にどれほど感受性を持つのかを評価すること。
• 階層的断面積補正を用いて、LSV 4ベクトルの時間的成分に対する上限を予測すること。
• 将来の衝突機が、現在の実験的限界を超えて、TeVスケールでLorentz対称性破れを探索する可能性を評価すること。

提案手法

• 電弱系に2つのLSV 4ベクトルρとξを結合させた非最小的標準模型拡張を導入し、相互作用構造を単純化するためρ = ξと設定する。
• e⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ、γγ → W⁺W⁻の3つの主要な過程について、階層的ファインマン則および散乱振幅を導出する。LSV由来の補正を含む。
• ゲージボソンおよびヒッグスボソンの頂点にLSV補正を組み込み、これらの過程の微分断面積および全断面積を計算する。
• 将来のTeVスケールe⁺e⁻衝突機における予想される実験的感受性と、LSV補正付き断面積を比較する。
• 太陽中心系において固定背景を仮定したうえで、LSV 4ベクトルの時間的成分に対する上限を導く感度解析を実施する。
• LSV結合の理論的基盤として標準模型拡張（SME）フレームワークを用い、既知の制約および有効場理論の原則と整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPT-奇性で非最小的 Lorentz対称性破れ結合は、e⁺e⁻衝突機における主要な電弱過程の断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 将来のTeVスケールe⁺e⁻衝突機は、電弱系におけるLSV 4ベクトルの時間的成分にどれほど感受性を持つのか？
• RQ3 将来の衝突機の予想される精度は、純粋に時間的背景を想定した場合に、既存のLSVパラメータの制約を改善できるか？
• RQ4 LSV由来の補正がZとHの生成振幅およびZZ生成振幅に与える影響は、標準模型の予測と比べてどの程度か？
• RQ5 γγ → W⁺W⁻過程が、電弱系におけるLorentz対称性破れのプローブとしてどれほど有効か？

主な発見

• CPT-奇性で非最小的 Lorentz対称性破れ結合に起因するe⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ、γγ → W⁺W⁻の階層的断面積補正を導出した。
• LSV補正付き断面積を将来のe⁺e⁻衝突機の予想される実験的感受性と比較することで、LSV 4ベクトルの時間的成分に対する上限が ≲10⁻⁵ GeV⁻¹のオーダーで予測された。
• 得られた上限は、類似するLSV結合に関する従来の制約と整合的であり、解析フレームワークの妥当性が裏付けられた。
• 結果から、将来的なe⁺e⁻衝突機（CEPC、FCC-ee、ILCなど）は、純粋に時間的背景を想定した場合に、LSV対称性破れを ≲10⁻⁵ GeV⁻¹のオーダーで探査可能であることが示された。
• 高エネルギーレプトン衝突機における電弱過程の精密測定が、Lorentz対称性破れの強力なプローブであることが確認された。
• 統一されたρ = ξ状況では、ZHおよびZZ生成に観測可能な補正が生じるため、これらの過程はヒッグスおよびゲージ系におけるLorentz対称性破れの検証に最適である。