[論文レビュー] Signals for Noncommutative QED at High Energy $e^+e^-$ Colliders

J.L. Hewett, Frank Petriello+1 more|ArXiv.org|Jan 29, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、CLICなどの高エネルギー $e^+e^-$ コライダーにおける非可換QED（NCQED）の信号を調査し、非可換時空から生じるローレンツ対称性の破れ効果が、$2\to2$ 散乱断面積に特徴的な方位角 ($\phi$) 依存性を引き起こすことを示している。$1~\text{ab}^{-1}$ のランクスティティのもと、CLICは中心系エネルギーを上回る $\sim1.5\sqrt{s}$ まで非可換スケールを探索可能であり、標準模型を越えた時空の非可換性の強力な検証が可能となる。

ABSTRACT

We examine the signatures for noncommutative QED at $e^+e^-$ colliders with center of mass energies in excess of 1 TeV such as CLIC. For integrated luminosities of 1 ab$^{-1}$ or more, sensitivities to the associated mass scales greater than $\sqrt s$ are possible.

研究の動機と目的

• CLIC などの高エネルギー $e^+e^-$ コライダーにおける非可換QED（NCQED）の特徴的な衝突実験的シグネチャーを特定すること。
• 時空非可換性および空間-空間非可換性に関連する非可換スケール $\Lambda_E$ および $\Lambda_B$ に対する $e^+e^-$ プロセスの感受性を評価すること。
• 断面積における方位角 ($\phi$) 依存性が、NCQEDにおけるローレンツ対称性の破れの独自の署名であることを示し、他の新しい物理と区別できることを示すこと。
• Bhabha、Moller、および粒子対消失過程を用いた、将来のコライダーが非可換スケールをどの程度まで探査できるかを評価すること。

提案手法

• Weyl-Moyalアプローチを用いて、非可換QEDにおける $2\to2$ 散乱過程（Bhabha、Moller、$e^+e^-\to\gamma\gamma$）を分析する。
• 時空テンソル $\theta_{\mu\nu}$ と運動量に依存する位相因子を含むNC補正を含めた散乱振幅を計算し、運動量に依存する結合定数を導入する。
• 非可換効果を $\theta_{\mu\nu}$ 比例の次元8のオペレーターとしてモデル化し、時空非可換性と空間-空間非可換性に対応するスケール $\Lambda_E$ および $\Lambda_B$ を定義する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、$\cos\theta$ および $\phi$ におけるビン化された角度分布を生成し、標準模型の予測とNCQEDの寄与を比較する。
• 中心散乱領域における $t$ チャネルおよび $u$ チャネルの寄与が大きいことを考慮し、$|\cos\theta|$ に対するカットを適用して感度を向上させる。
• 95%信頼水準における信号のずれを標準模型の期待値と比較し、$1~\text{ab}^{-1}$ のランクスティティのもとで $\Lambda_{\text{NC}}$ の探査限界を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $e^+e^-$ コライダー、たとえばCLICが、散乱断面積における特徴的な方位角の角度依存性を通じて非可換QED効果を検出できるか？
• RQ2 $\sqrt{s} = 3$ および $5$ TeV におけるBhabha、Moller、および粒子対消失過程の感受性が、非可換スケール $\Lambda_E$ および $\Lambda_B$ に対してどの程度か？
• RQ3 バックグラウンド場から生じる優先方向 $\hat{c}_{E,B}$ が、$2\to2$ プロセスにおける観測可能な $\phi$-依存性のモードを引き起こす仕組みは？
• RQ4 ビームの偏光が、$e^+e^-$ 散乱における非可換効果の検出をどの程度向上できるか？
• RQ5 CLICおよび500 GeVの線形コライダーが、$1~\text{ab}^{-1}$ のランクスティティのもとで、さまざまなプロセスに対して $\Lambda_{\text{NC}}$ にどの程度の制限を課せるか？

主な発見

• 断面積における方位角 ($\phi$) 依存性は、NCQEDにおけるローレンツ対称性の破れの独自の署名であり、標準模型では存在せず、他の新しい物理と区別可能である。
• 中心系エネルギー $\sqrt{s} = 3$ TeV におけるBhabha散乱で、$1~\text{ab}^{-1}$ のランクスティティのもと、$\Lambda_E$ の探査限界は $\sim1.5\sqrt{s} \approx 4.5$ TeV に達し、$|\cos\theta|$ の厳しいカットを適用することで感度が向上する。
• Moller散乱はBhabha散乱よりも $\Lambda_B$ に対してより高い感受性を示し、$\sqrt{s} = 5$ TeV および $1~\text{ab}^{-1}$ の条件下で、$\sim8.5$ TeV の探査限界が予想される。
• $\gamma\gamma$ への粒子対消失過程では、$c_{02}$ または $c_{03}$ が非ゼロの場合に $\phi$-依存性の信号が生じ、$\sqrt{s} = 5$ TeV で $\Lambda_E$ の探査限界は $3.8-5.0$ TeV に達する。
• $\gamma\gamma\to e^+e^-$ プロセスは、$\sqrt{s} = 5$ TeV で $1.8-2.1$ TeV の探査限界にとどまるが、依然として時空非可換性に対して感受性を示す。
• 表1は、95%信頼水準における $\Lambda_{\text{NC}}$ の予想限界を要約しており、$\sqrt{s} = 5$ TeV で $1~\text{ab}^{-1}$ のCLICは、Moller散乱において $\sim8.5$ TeV までの $\Lambda_{\text{NC}}$ を探査可能であることが示されている。