[論文レビュー] Space anisotropy search at colliders

I. S. Karpikov, D. Kirpichnikov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、標準模型拡張（SME）フレームワーク下で、$e^+e^-$衝突機データを用いてクォーク系におけるローレンツ対称性の破れを調査する。SME係数に敏感な時間依存する $q\bar{q}$ 生成断面積を導出し、LEPのALEPHおよびOPALデータを用いて次元なしのローレンツ対称性破れカップリングに対する保守的な制限を設定する。対称仮定のもとで、$|c_{ZZ}^{q}| < 0.027$（ALEPH）および $< 0.036$（OPAL）が得られ、個々のクォークではより緩い制限が得られる。本研究では、将来のレプトン衝突機における時間変動信号の予測も行う。

ABSTRACT

In the framework of model with Lorentz violation (LV) we discuss a physical observables for $q\bar{q}$ pair production at lepton-lepton colliders and describe the experimental signal to be detected. We obtain a conservative limits on Lorentz-violating dimensionless coupling for quark sector from LEP data. We also make a phenomenological prediction for LV model at the future lepton collider.

研究の動機と目的

• SMEフレームワーク下で $e^+e^-$衝突機データを用いてクォーク系におけるローレンツ対称性の破れを調査すること。
• 地球の自転に起因するSME係数に敏感な時間依存する $q\bar{q}$ 生成断面積を導出すること。
• LEPのALEPHおよびOPALデータを用いて、次元なしのローレンツ対称性破れカップリング $c_{ZZ}^{q}$ に対する保守的な実験的制限を設定すること。
• SMEに起因する時間変動信号に基づいて、将来のレプトン衝突機の素粒子的予測を提供すること。
• 特に $c_{ZZ}^{q}$ に注目し、コライダー実験が $CPT$-不変のローレンツ対称性破れカップリングにどれほど感度を持つのかを評価すること。

提案手法

• クォーク系に $CPT$-不変のローレンツ対称性破れ項を含むSMEラグランジアンを構築し、$c_{Q\mu\nu}$, $c_{U\mu\nu}$, $c_{D\mu\nu}$ カップリングに注目する。
• 標準模型（SM）とSMEの振幅の干渉項を含む $e^+e^-\to q\bar{q}$ の行列要素の二乗を計算する。
• 恒星時依存性を用いて、太陽中心慣性系からのSME係数を地上の実験室系に変換する。
• 時間依存する断面積の式 $\sigma^{SME} = \sigma^{SM} \cdot (1 + \epsilon(t))$ を導出し、ここで $\epsilon(t)$ は $c_{XX}^q$ と地球の姿勢に依存する。
• ALEPHおよびOPALの実験的不確実性を適用し、$b\bar{b}$ および $c\bar{c}$ の分岐比を考慮して $|c_{ZZ}^{q}|$ に対する保守的制限を導出する。
• 将来のコライダー研究のための時間依存信号をモデル化するために、$c_{XX}^q$ および $-c_{XX}^q$ 成分を含むベンチマークSME行列を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPのような $e^+e^-$衝突機は、$q\bar{q}$ 生成を通じてクォーク系におけるローレンツ対称性破れカップリングを調べられるか？
• RQ2 地球の時間依存的姿勢が、SMEフレームワーク下での $q\bar{q}$ 生成断面積にどのように影響するか？
• RQ3 ALEPHおよびOPALデータから得られる、$u,d,s,c,b$ クォークの $c_{ZZ}^{q}$ に対する保守的実験的制限は何か？
• RQ4 $R_b$ および $R_c$ の不確実性が、$|c_{ZZ}^{b}|$ および $|c_{ZZ}^{c}|$ の制限にどのように影響するか？
• RQ5 SMEに起因するローレンツ対称性破れによって、将来のレプトン衝突機における $q\bar{q}$ 生成に時間変動信号が予想されるか？

主な発見

• すべてのクォークのフレーバーが等しい $c_{ZZ}^{q}$ 値を持つという仮定のもとで、次元なしのローレンツ対称性破れカップリング $|c_{ZZ}^{q}|$ に対する保守的制限は、ALEPHで $< 0.027$、OPALで $< 0.036$ である。
• 個々のクォークでは制限が緩くなる：$|c_{ZZ}^{b}| < 0.35$（ALEPH）および $< 0.46$（OPAL）、$|c_{ZZ}^{c}| < 0.4$（ALEPH）であり、これは $R_b$ および $R_c$ の大きな不確実性に起因する。
• $e^+e^-\to q\bar{q}$ の時間依存断面積は、恒星時によって変動する関数 $\epsilon(t)$ によって変調され、1恒星日周期で変化する。
• 信号の変調は、地球の自転に起因し、実験室系の姿勢が太陽中心系に対して変化することで、SME係数に影響を与える。
• データは、唯一 $ZZ$ 成分のSMEカップリング行列が制限されていることが判明した。$XY$, $XZ$, $YZ$ 成分は時間平均により消えるため。
• 本研究では、将来のレプトン衝突機に対して、時間変動する $q\bar{q}$ 信号がSMEカップリングが非ゼロであれば検出可能であると素粒子的予測を提示している。