[論文レビュー] Physics From Extra Dimensions

Pran Nath|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、標準模型の文脈において、大規模な追加次元の現象論的制約およびコライダーのシグネチャーを検討し、特にカールツァイク・キルチン（KK）励起状態に注目する。精度の高い電弱データ、特にフェルミ定数が、コンパクト化スケール $ M_R \geq 3 $ TeV の下限を課しており、近い将来のコライダーでの直接観測は不確実である。この制約下で、KKモードによるミューオンの異常磁気モーメントへの補正は無視できるほど小さく、今後の $ g_\mu - 2 $ 異常の原因としての寄与は排除される。

ABSTRACT

A brief review of the recent developments in the physics from extra dimensions is given with a focus on the effects of Kaluza-Klein excitations in the Standard Model sector. It is shown that the current accurate data on the Fermi constant and on other electro-weak parameters puts a lower bound on the scale of extra dimensions of $\sim$ 3 TeV, and thus the observation of such dimensions lies beyond the reach of accelerators in the near future. The correction to the anomalous magnetic moment of the muon from extra dimensions is discussed and one finds that with the current limit on the scale of extra dimensions from the Fermi constant, the correction to $g_μ-2$ does not compete with the potentially large contributions from the supersymmetric electro-weak correction. The possibility of generating Kaluza-Klein excitations associated with large radius compactifications at the LHC is discussed. It is shown that if such excitations are indeed produced their resonance structure will encode information on the number of compactified dimensions as well as on the nature of the specific orbifold compactification. A brief discussion of difficulties such as rapid proton decay that one encounters in theories with large radius compactifications is given.

研究の動機と目的

• 標準模型の領域における大規模な追加次元の現象論的妥当性を評価すること。
• 特にフェルミ定数 $ G_F $ を通じた精度電弱測定からコンパクト化スケール $ M_R $ に課される制約を特定すること。
• LHCにおける二重レプトンおよび二ジェット共鳴状態を通じて、カールツァイク・キルチン励起状態の検出可能性を評価すること。
• 大規模な追加次元がミューオンの異常磁気モーメントに与える影響を分析すること。
• 特に急速なプロトン崩壊を含む主要な理論的課題を特定し、議論すること、特に大半径コンパクト化モデルにおけるもの。

提案手法

• $ 4+1 $次元理論が $ S^1/Z_2 $ 上でコンパクト化された状況において、カールツァイク・キルチン励起状態が引き起こすフェルミ定数 $ G_F $ の量子補正を解析的に計算する。
• 有効場理論フレームワークを用いて、ループ図を用いてミューオンの異常磁気モーメント $ g_\mu - 2 $ へのKKモードの寄与を評価する。
• Drell-Yan過程 $ pp \to l^+l^- + X $ のシミュレーションと解析を行い、インvariant質量分布 $ d\sigma/dm_{ll} $ を抽出する。この分布は、追加次元の数およびオービフォールド構造に関する情報を含む。
• 精度電弱パラメータとその実験的不確実性を用いて、グローバルフィットを通じて $ M_R $ の下限を導出する。
• $ G_F $ から得られる制約と、ミリメートル未満の重力実験および $ g_\mu - 2 $ 異常からの制約を比較する。
• 離散的およびゲージ対称性が、大規模な追加次元モデルにおけるプロトン崩壊を抑制するメカニズムとして機能することを議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 精度電弱データ、特にフェルミ定数 $ G_F $ から導かれる、大規模な追加次元のコンパクト化スケール $ M_R $ の下限は何か？
• RQ2 標準模型領域におけるカールツァイク・キルチン励起状態が、ミューオンの異常磁気モーメント $ g_\mu - 2 $ に顕著な補正をもたらすことができるか？
• RQ3 LHCにおけるカールツァイク・キルチン状態の支配的コライダー・シグネチャーは何か？ そして、これらは追加次元の数およびオービフォールド構造をどのように探査できるか？
• RQ4 大半径コンパクト化はプロトン安定性にどのように影響を及ぼすか？ そして、このようなモデルにおける急速なプロトン崩壊を抑制するメカニズムは何か？
• RQ5 $ G_F $ およびミリメートル未満の重力実験からの制約は、$ M_R $ の下限においてどのように比較できるか？

主な発見

• フェルミ定数 $ G_F $ の精度高い決定が、現在の電弱パラメータの実験的不確実性に基づき、コンパクト化スケールに $ M_R \geq 3 $ TeV の下限を課している。
• この $ G_F $ から導かれる制約下で、カールツァイク・キルチン励起状態によるミューオンの異常磁気モーメント $ g_\mu - 2 $ への補正は無視できるほど小さく、今後の標準模型予測からの逸脱を説明する要因とはなり得ない。
• Drell-Yan過程 $ pp \to l^+l^- + X $ は、LHCで100 fb$^{-1}$ の強度を持つ場合、$ M_R \approx 6 $ TeV までのカールツァイク・キルチン共鳴状態を発見するためのクリアなシグネチャーを提供する。
• 微分断面積 $ d\sigma/dm_{ll} $ は、コンパクト化された次元の数およびコンパクト化の特定のオービフォールド構造に関する情報を保持している。
• ミリメートル未満の重力実験からの制約は、$ M \geq 3.5 $ TeV の下限を与えるが、これは $ G_F $ に基づく $ M_R \geq 3 $ TeV の制約と整合的である。
• 大半径コンパクト化を持つ理論的モデルは、急速なプロトン崩壊という深刻な課題に直面しており、バリオン数の破れを許容可能な水準に抑えるには、離散的対称性または非自明なブレーン構成が必要となる。