[論文レビュー] Simplified Models for New Physics in Vector Boson Scattering - Input for Snowmass 2013

Jürgen Reuter, Wolfgang Kilian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、電弱相互作用系に結合するスピン0、1、2の共鳴状態を導入することで、ベクトルボソン散乱における新しい物理の簡略化モデルを提案し、摂動的ユニタリティを保つためにユニタリ化された有効場理論フレームワークを用いる。この研究では、将来の加速器においてテンソル共鳴状態が最大の発見感度を示すことが示され、1 TeVのILCでは最大5.84 TeV、14 TeVのLHC（300 fb⁻¹）では0.5–2 TeVの感度が予想される。

ABSTRACT

In this contribution to the Snowmass process 2013 (which is a preliminary version of [1]) we give a brief review of how new physics could enter in the electroweak (EW) sector of the Standard Model (SM). This new physics, if it is directly accessible at low energies, can be parameterized by explicit resonances having certain quantum numbers. The extreme case is the decoupling limit where those resonances are very heavy and leave only traces in the form of deviations in the SM couplings. Translations are given into higher-dimensional operators leading to such deviations. As long as such resonances are introduced without a UV-complete theory behind it, these models suffer from unitarity violation of perturbative scattering amplitudes. We show explicitly how theoretically sane descriptions could be achieved by using a unitarization prescription that allows a correct description of such a resonance without specifying a UV-complete model.

研究の動機と目的

• 電弱系における新しい物理のモデルに依存しない簡略化モデルを構築し、BSM理論の本質的特徴を捉えること。
• 新しい共鳴状態を含む有効場理論における摂動的ユニタリティの破綻を、ユニタリゼーションの手続きを導入することで是正すること。
• UV完全な理論を必要とせずに、二ボソン、三ボソン、およびベクトルボソン散乱のデータを共鳴結合の観点から解釈するフレームワークを提供すること。
• 異常な四次ゲージ結合から、その再解釈を簡略化モデルフレームワークを用いて、将来の加速器（ILC、LHC）における新しい共鳴状態の発見感度を定量化すること。

提案手法

• ハイパーチカル電弱ラグランジアンに基づく有効ラグランジアンを構築し、125 GeVのヒッグス粒子および高次元オペレーターを含めるように拡張する。
• スピンおよびアイソスピンを明確に定義した、スカラー、ベクトル、テンソルの明示的共鳴状態を導入し、電弱ゲージボソンおよびヒッグス粒子に結合させる。
• 木レベルの散乱振幅に補正項を追加することでユニタリティを回復するユニタリゼーション手続きを適用し、UV完全モデルを明示しない。
• WHIZARDイベントジェネレーターを用いてユニタリ化された振幅を実装し、加速器の素粒子物理学的現象をシミュレートする。
• 異常な四次ゲージ結合に関する制約を、簡略化モデルフレームワーク内での再解釈を通じて、共鳴状態の質量および結合定数の限界に変換する。
• 1 ab⁻¹および300 fb⁻¹の予想される光度を用い、1 TeV ILCおよび14 TeV LHCにおける加速器エネルギーと共鳴状態のスピン（0, 1, 2）の違いを比較した感度研究を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 具体的なUV完全理論に依存しない形で、電弱系における新しい物理を効果的にモデル化する方法は何か？
• RQ2 新しい共鳴状態を含む有効場理論におけるユニタリティ違反の影響は何か？ そして、物理的に妥当な方法でこれを是正するにはどうすればよいか？
• RQ3 共鳴状態のスピン（0, 1, 2）と加速器エネルギー（ILC, LHC）の違いによって、新しい共鳴状態の発見感度はどのように変化するか？
• RQ4 異常な四次ゲージ結合に関する制約は、どの程度まで新しい共鳴状態の質量および結合定数の制限に再解釈可能か？
• RQ5 1 TeV ILCと14 TeV LHCの間で、ベクトルボソン散乱における新しい共鳴状態の発見可能性は、それぞれどのように比較できるか？

主な発見

• テンソル共鳴状態が最大の発見感度を示し、1 TeV ILC（1 ab⁻¹）では最大5.84 TeVの感度が予想される。
• 1 TeV ILC（1 ab⁻¹）において、異常な四次結合定数α₄およびα₅の1σ感度は、それぞれ0.0088および0.0071である。
• 14 TeV LHC（300 fb⁻¹）では、新しい共鳴状態の感度範囲はスカラーで0.5 TeV、テンソルで2 TeVに達する。
• ユニタリゼーション手続きにより、UV完全モデルを必要とせずに、新しい共鳴状態を含む振幅における摂動的ユニタリティが成功裏に回復された。
• 中間状態のスピン状態の数が増えるほど新しい物理への感度が向上し、スカラーまたはベクトルと比較してテンソル共鳴状態が優位である。
• LHCにおけるベクトルボソン散乱の感度を高めるために、カットベース解析と多次元解析のどちらがより優れた感度を示すかを特定するための、より詳細な研究が今後必要である。