[論文レビュー] Probing Randall-Sundram Model using triphotons at the LHC

David Atwood, Sudhir Kumar Gupta|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2010

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるランダル＝サンダース引力子生成からの三光子最終状態を調査し、高い横運動量を持つ光子と低レベルの標準模型（SM）バックグラウンドのおかげで、γG → γγγ という実験的チャネルがクリアであることを示している。300 fb⁻¹の全断面積において、引力子質量は1–2 TeVで5–10%の不確実性で再構築可能であり、引力子の静止系における角度分布解析によってスピン2の性質が確認できる。

ABSTRACT

We investigate triphoton signals of the Randall-Sundram model at the Large Hadron Collider. Such a signal can be an important probe to the RS model as these are relatively cleaner from the hadronic activity and bear significant rate. The corresponding standard model background has also been studied in detail. We also show that a clear graviton reconstruction is possible in such signal.

研究の動機と目的

• LHCにおけるランダル＝サンダース引力子のクリアで高純度なシグネチャを三光子最終状態を用いて特定すること。
• ジェットや電子からの実光子および偽光子（fake photons）に起因する標準模型バックグラウンドを、運動量およびトポロジー的カットにより低減すること。
• 三光子最終状態における引力子質量の再構築とスピン測定の可能性を実証すること。
• 引力子の静止系における角度分布解析を通じて、励起状態のスピン2性質を検証すること。

提案手法

• 質量スペクトルにベッセル関数の根を含む形で表される振幅 |M|² ∝ (ŝ / M̄ₚ²) F(ζ, η) を用いて、q̄q → γG による関連生成の部分子レベル行列要素をモデル化する。
• QCDバックグラウンドを低減するために、運動量制限 m_G² = ŝ² + t̂² + û² と高い pT カットを用いて、引力子のγγへの崩壊による三光子生成をシミュレートする。
• 順次的カットを適用：pT(γ₁,₂) > 100 GeV、pT(γ₃) > 50 GeV、ΣpT > 550 GeV、m₁₂ > 800 GeV として、SMおよび偽光子バックグラウンドを低減する。
• 二光子対のうち、ピークに最も近いインバリアント質量を持つペアを特定し、それらを引力子質量再構築に用いる。|Δm_ij| < 20 GeV であるペアは除外して、組み合わせ的曖昧性を低減する。
• 選択された二光子ペアを引力子の静止系にブーストし、一方の崩壊光子の角度分布を解析してスピン2仮説を検証する。
• 横断的断面積計算には CTEQ6L-1 のパートン分布関数を用い、μR = μF = Q = √ŝ として、√s = 7, 10, 14 TeV での計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 γG → γγγ における三光子最終状態は、LHCにおけるランダル＝サンダース引力子のクリアなプローブとして有効であるか？
• RQ2 実光子および偽光子（例：ジェットや電子に起因）に起因するSMバックグラウンドは、運動量カットによってどの程度効果的に低減可能か？
• RQ3 バックグラウンドが存在する状況下でも、引力子質量は10%未満の不確実性で再構築可能か？
• RQ4 引力子の静止系における角度分布解析によって、励起状態のスピン2性質を確認できるか？

主な発見

• 300 fb⁻¹の統合された全断面積において、引力子質量が1、1.5、2 TeVの各状況で、三光子シグナル率はそれぞれ293、213、105イベントに達する。
• 基本的カットに加え、ΣpT > 550 GeV または m₁₂ > 800 GeV を適用した後、SMバックグラウンドはわずか14イベントにまで低減され、信号対バックグラウンド比は約20:1に達する。
• インバリアント質量再構築と |Δm_ij| < 20 GeV を用いた組み合わせ的除外により、バックグラウンドが存在する状況下でも、引力子質量の分解能が5–10%で達成可能である。
• 引力子の静止系における崩壊光子の角度分布は、スピン2に一致する特徴的なパターンを示しており、励起状態のテンソル的性質が確認される。
• 主なSMバックグラウンドは偽光子（例：ジェットに起因）に起因し、約0.2 pbの寄与を示しており、直接的な三光子バックグラウンドの2倍の寄与である。
• √s = 14 TeV および m_G = 1 TeV の条件下で、プロセス γG → γγγ はLHCで実現可能であり、全断面積は約1 pbに達する。高全断面積データにより、発見が可能である。