[논문 리뷰] 126 GeV Higgs and ATLAS bound on the lightest graviton mass in Randall-Sundrum model

Ashmita Das, Soumitra SenGupta|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 11.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 126 GeV 힉스 보손의 맥락에서 랜달-선드룸 모형의 경계 조건과 ATLAS 실험에서의 가장 가벼운 칼루차-클라인 중력자 질량에 대한 제약 조건 간의 일관성을 조사한다. 이는 이론의 절단 스케일이 플랑크 스케일보다 최소 두 개의 주기수만큼 낮아야만 ATLAS 데이터와 일치할 수 있음을 보여주며, 이는 약 10^17 GeV에서 새로운 물리학이 존재함을 암시한다.

ABSTRACT

In the search for extra dimension through dilepton events in 7-TeV proton-proton collision, the ATLAS detector at LHC has set stringent lower bound on the mass of the Randall-Sundrum (RS) lightest graviton Kaluza-Klein (KK) mode. Considering that the Randall-Sundrum model undertakes to resolve the well-known gauge hierarchy/fine tuning problem to restrict the Higgs mass within the estimated $\sim 126$ GeV against large radiative correction upto the cut-off of the model, we explore the allowed parameter space within which the RS model can be trusted. We show that the consistency of the model with ATLAS results constrains the cut-off of the theory which is atleast two order lower than the Planck/Quantum gravity scale implying the possible existence of a new Physics at this lower scale.

연구 동기 및 목표

• 랜달-선드룸 모형이 ATLAS 실험에서의 가장 가벼운 칼루차-클라인 중력자 질량에 대한 제약 조건과 일관성을 가지는지 평가하기.
• 계층 문제 해결과 LHC 데이터 양측을 만족시키기 위해 랜달-선드룸 모형의 절단 스케일이 어떻게 되어야 하는지 결정하기.
• 이 제약 조건이 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 미치는 영향 탐색하기.
• 이론적 예측과 ATLAS 결과 간의 갈등으로부터 유도되는 새로운 물리학의 하한 스케일을 정량화하기.

제안 방법

• 왜곡된 계량과 오르비폴드된 추가 차원을 사용하여 랜달-선드룸 모형에서 가장 가벼운 칼루차-클라인 중력자 모드의 질량을 유도한다.
• 관계식 $ m_1 = x_1 \epsilon^{2/3} \frac{m_H}{\alpha} $ 를 사용하며, 여기서 $ \epsilon = k / \overline{M}_{Pl} $, $ x_1 = 3.83 $, $ m_H = 126 $ GeV이다.
• 이론적 예측된 $ m_1 $ 를 이중 레프톤 사건에서의 ATLAS의 중력자 질량 하한 제약 조건과 비교한다.
• ATLAS 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 $ \alpha $ 의 임계값을 계산한다. 여기서 $ \alpha $ 는 절단 스케일 $ m_0 = \alpha M $ 과 5차원 플랑크 스케일의 비율이다.
• 왜곡된 배경에서 베셀 함수로부터 유도된 중력자 KK 모드의 정규화 및 파동함수 해를 적용한다.
• 질량 고유값을 결정하기 위해 조건 $ J_1(x_n) = 0 $ 을 적용하여 $ m_n = x_n k e^{-k r_c \pi} $ 를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 $ \epsilon = k / \overline{M}_{Pl} $ 에 대해 랜달-선드룸 모형에서 가장 가벼운 칼루차-클라인 중력자 모드의 질량이 예측되는 값은 무엇인가?
• RQ2 이론적 예측된 중력자 질량은 이중 레프톤 사건에서의 ATLAS 실험 하한 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 RS 모형을 ATLAS 데이터와 일치시키기 위해 필요한 절단 스케일 $ m_0 = \alpha M $ 의 값은 얼마인가?
• RQ4 필요로 하는 절단 스케일은 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 스케일에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 RS 모형은 계층 문제 해결과 현재의 LHC 제약 조건을 동시에 만족하는가?

주요 결과

• 이론적 예측된 RS 모형에서의 가장 가벼운 KK 중력자 질량은 $ \epsilon \in [0.01, 0.1] $ 범위에서 ATLAS 실험의 하한 제약 조건보다 훨씬 낮게 나타나 충돌이 있음을 시사한다.
• ATLAS 제약 조건을 충족시키기 위해 절단 스케일 $ m_0 $ 는 플랑크 스케일보다 최소 두 개의 주기수만큼 낮아야 하며, 이는 $ \alpha \lesssim 0.05 $ 를 의미한다.
• 특히 $ \epsilon = 0.01 $ 일 경우, 필요한 $ \alpha \approx 2.2 \times 10^{-2} $ 로, 이는 절단 스케일이 $ \sim 10^{17} $ GeV임을 의미한다.
• 새로운 물리학의 스케일은 약 $ \sim 10^{17} $ GeV로 제한되며, 이는 플랑크 스케일 $ \sim 10^{19} $ GeV 보다 훨씬 낮다.
• 이 갈등은 RS 모형이 자연스럽게 플랑크 스케일에서 절단 스케일을 가지며, 이로 인해 ATLAS 데이터와 일치하지 않는 너무 낮은 중력자 질량을 초래하기 때문이다.
• 결과적으로 RS 모형은 플랑크 스케일 이하의 새로운 물리학 스케일이 존재하거나, LHC 데이터와의 충돌을 피하기 위해 모형을 수정해야 한다는 것을 암시한다.