[論文レビュー] Production of light stabilized radion at high energy hadron collider

Uma Mahanta, Anindya Datta|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突型加速器におけるランダル＝サンドラム模型における軽量ラディオンの生成と検出を調査し、量子色力学および電磁力学の conformal anomaly に起因する強化された結合により、ラディオンのグルーオン融合による生成断面積がヒッグス粒子の6–8倍に達することを示している。ラディオンの二光子および二ジェットへの分支比は、標準模型のヒッグス粒子と比較して5–8倍に著しく増加しており、⟨φ⟩ = 1 TeVの場合、LHCでは1 TeVまでγγチャンネルが強力な発見チャンネルとなる。

ABSTRACT

In this paper we use the conformal anomaly in QCD to derive the coupling of light radion to gluons in the Randall-Sundrum model and use it to compute the radion production cross section at hadron colliders by gluon fusion. We find that the radion production cross section by gluon fusion at LHC would exceed that of the higgs boson by a factor that lies between 7 and 8 over most of the range. The decay modes of the radion are similar to that of the SM higgs boson. But the striking feature is the enhancement of radion to 2-photon and radion to 2-gluon branching ratio over the SM case. Utilising this, we then discuss the possible search strategies of such scalars at Tevatron and LHC. Using the $γγ$ decay mode one can explore/exclude radion mass upto 1 TeV. Even with the current collected data at the Tevatron, one can exclude radion mass upto 120 GeV for $\vphi$= 1 TeV.

研究の動機と目的

• QCDおよびQEDの conformal anomaly を用いて、ランダル＝サンドラム模型におけるラディオンとグルーオン、光子の結合を導出すること。
• ハドロン衝突型加速器におけるグルーオン融合によるラディオン生成断面積を計算し、標準模型のヒッグス粒子との比較を行うこと。
• ラディオンが標準模型の粒子に崩壊する分支比（特にγγおよびggモード）を分析し、標準模型のヒッグス粒子と比較すること。
• 現在およびアップグレードされた光度を考慮して、γγ最終状態を用いたテバトロンおよびLHCにおけるラディオン検出の可能性を評価すること。
• γγインvariant質量分布における信号対背景比に基づいて、ラディオン質量の発見および除外限界を確立すること。

提案手法

• QCDのトレース異常を用いてラディオン-グルーオン結合を導出する。式は $\mathcal{L}_{\tilde{\phi}gg} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{β(g_s)}{2g_s} \tilde{\phi} G^{a\mu\nu} G^a_{\mu\nu} $ であり、$ n_f = 5 $ のクォークに対して $ \frac{β(g_s)}{2g_s} \approx -3.84 \frac{α_s}{4\pi} $ である。
• QEDのトレース異常を用いてラディオン-光子結合を計算する：$ \mathcal{L}_{\tilde{\phi}\gamma\gamma} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{β(e)}{2e} \tilde{\phi} F_{\mu\nu} F^{\mu\nu} $ であり、$ \frac{β(e)}{2e} $ の値はラディオン質量がトップおよびWボソンの閾値に対してどのように位置するかに依存する。
• さまざまな標準模型の最終状態へのラディオンの分支比を計算し、$ \tilde{\phi} \to gg $ および $ \tilde{\phi} \to \gamma\gamma $ が $ \langle\phi\rangle = 1 $ TeV の場合、標準模型のヒッグス粒子と比較して5–8倍に増加していることに注意する。
• テバトロンおよびLHCにおけるγγインvariant質量チャンネルの信号および背景イベントを推定し、光子の横運動量にカット（>20 GeV）を適用し、5 GeVのエネルギーインターバルに分割して解析する。
• 信号イベントと背景の比較により、発見および除外の到達限界を評価し、発見の閾値を5とし、1バインに1件未満の背景イベントをベンチマークとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDの conformal anomaly は、ランダル＝サンドラム模型におけるラディオンとグルーオンの結合をどのように生成するか？
• RQ2 LHCにおけるグルーオン融合によるラディオン生成断面積は、標準模型のヒッグス粒子と比較してどの程度か？
• RQ3 ラディオンのγγおよびggチャンネルへの分支比は、標準模型のヒッグス粒子と比較してどの程度か？強化係数は何か？
• RQ4 γγ崩壊モードを用いた場合、テバトロンおよびLHCにおけるラディオン質量の発見および除外限界は何か？
• RQ5 ラディオン質量に依存するγγ分支比の性質は、標準模型のヒッグス粒子とはどのように異なり、検出にどのような意味を持つのか？

主な発見

• LHCにおけるグルーオン融合によるラディオン生成断面積は、質量範囲の大部分において標準模型のヒッグス粒子を6–8倍上回る。
• ⟨φ⟩ = 1 TeVの場合、ラディオンの二光子への分支比は、標準模型のヒッグス粒子と比較して5–8倍に増加している。
• 二グルーオンへの分支比も顕著に増加しており、特定のラディオン質量ではほぼ100%に達する。
• アップグレードされたテバトロンでは、⟨φ⟩ = 1 TeVを仮定した場合、160 GeVまでのラディオン質量がγγ最終状態を用いて発見可能であり、165 GeVまでが除外可能である。
• 30 fb⁻¹の光度を持つLHCでは、γγチャンネルを用いて1 TeVまでのラディオン質量が発見可能であり、質量範囲全体で信号対背景比が発見に有利に働く。
• ⟨φ⟩ = 4 TeVの場合、γγモードによる発見到達限界は、断面積が $ 1/\langle\phi\rangle^2 $ に比例して減少するため、650 GeVにまで低下する。