[논문 리뷰] Collider Implications of Kaluza-Klein Excitations of the Electroweak Gauge Bosons

C. D. McMullen, Soumitra Nandi|ArXiv.org|2001. 10. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM) 게이지 보손이 단일한 테바르-1 크기의 추가 차원으로 확장되는 모형에서 전자-posit론 충돌기에서의 칼루차-클라인(KK) 진동수의 충돌기 신호를 조사한다. 고에너지 e⁺e⁻ 충돌기에서 이러한 KK 상태들은 뮤온 쌍 생성 단면적을 최대 20% 감소시키고 힉스 생성을 크게 증가시키며, 탑-타워 스펙트럼과 보편적 결합을 통해 Z′ 모형과는 뚜렷이 다른 특징적인 신호를 제공한다.

ABSTRACT

It is possible for the SM fields to propagate into one or more large extra compact dimensions. Such fields have associated KK excitations that produce additional contributions to the SM processes. We calculate the effects that these KK excitations have on cross sections for $e^{+}e^{-}$ collider processes in a model in which the SM gauge bosons, and perhaps the Higgs, can propagate into one TeV$^{-1}$-size extra compact dimension. Specifically, we consider muon pair production, Bhabha scattering, dijet production, Higgs production, and single-photon production. At prospective high energy $e^{+}e^{-}$ colliders, we find significant deviations from the SM cross sections: For example, a 600 GeV collider produces a 20% reduction in the cross section for muon pair production as compared to the SM for a compactification scale of 3.5 TeV. The effect is much smaller at LEP2 energies, where the compactification scale must be lower than 2 TeV in order to produce a 6% effect.

연구 동기 및 목표

• 단일 큰 추가 차원이 있는 모형에서 전자기적 게이지 보손의 칼루차-클라인(KK) 진동수의 현상학적 의미를 분석하는 것.
• 이러한 KK 상태들이 뮤온 쌍 생성, 바하바 산란, 디젯 생성, 힉스 생성, 단일 광자 생성과 같은 e⁺e⁻ 충돌기 반응의 단면적에 미치는 영향을 규명하는 것.
• KK 진동수의 충돌기 신호가 Z′ 보손의 것과 어떻게 다를 수 있는지, 특히 결합 구조와 공명 스펙트럼 측면에서 비교하는 것.
• 미래 고에너지 e⁺e⁻ 충돌기가 몇 테바르까지의 단순화 스케일을 감지할 수 있는지 평가하는 것.
• 가상의 교환를 통해 KK 상태가 힉스 보손 생성을 얼마나 증가시킬 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 표준모형(SM) 게이지 보손(및 가능하면 힉스)이 단일 추가 차원으로 확장되는 모형을 채택한다. 이 차원은 μ ~ TeV⁻¹ 규모의 단순화 스케일로 압축된다.
• 나무 수준의 교환 다이어그램을 사용하여, 가상의 광자(γₙ⋆), Z 보손(Zₙ⋆), W 보손(Wₙ⋆)의 KK 진동수를 통한 e⁺e⁻ 과정에 대한 양자 보정을 계산한다.
• 참고문헌 [4]의 비대칭 단순화 시나리오를 적용하며, 하나의 큰 추가 차원(R⁻¹ ~ 10⁻³ eV)과 하나의 테바르-1 크기의 차원(r⁻¹ ~ 1 TeV)을 포함하여 통합 스케일 M ~ 100 TeV를 도출한다.
• 충돌기 에너지 √s와 단순화 스케일 μ에 따른 단면적을 계산하며, 표준모형(n=0)과 첫 번째 KK 모드(n=1) 기여 간의 간섭을 중심으로 분석한다.
• 표준모형 예측과 비교하고, 결합 보편성과 공명 간격 측면에서 Z′ 보손 모형과 대조한다.
• 4차원 플랑크 스케일과 기본 스케일 M 및 단순화 반경 사이의 스케일링 관계 $ M_P^2 = M^8 R r^5 $ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 충돌기에서 전자기적 게이지 보손의 칼루차-클라인(KK) 진동수가 e⁺e⁻ 반응의 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 표준모형(SM) 게이지 보손이 단일한 테바르-1 크기의 추가 차원으로 확장되는 조건에서, 미래의 e⁺e⁻ 충돌기가 단순화 스케일 μ에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 KK 진동수가 e⁺e⁻ 충돌에서 힉스 보손 생성을 얼마나 증가시킬 수 있는가?
• RQ4 KK 진동수의 충돌기 신호는 Z′ 보손의 것과 어떻게 다를 수 있는가, 특히 공명 간격과 페르미온 결합 측면에서 비교할 때 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 단순화 스케일 μ ~ 3.5 TeV일 경우, 뮤온 쌍 생성 및 기타 과정에서 표준모형과의 관측 가능한 이격은 어느 정도인가?

주요 결과

• 600 GeV e⁺e⁻ 충돌기에서, 단순화 스케일이 3.5 TeV일 경우 뮤온 쌍 생성 단면적은 표준모형(SM) 대비 약 20% 감소한다.
• 500 GeV 충돌기에서, 가장 낮은 에너지의 KK 진동수가 약 3 TeV일 경우 뮤온 쌍 생성 단면적은 표준모형 대비 20% 감소한다.
• 1 TeV 충돌기에서, 단순화 스케일이 5 TeV까지는 단면적에서 20%의 이격을, 7 TeV까지는 10%의 영향을 미칠 수 있다.
• 단순화 스케일 3 TeV일 경우, 뮤온 쌍 생성 단면적은 표준모형 배경 대비 50% 감소하여 매우 높은 감도를 보인다.
• 히iggs 보손이 3-brane에 국한되어 있을 경우, Wₙ⋆ 및 Zₙ⋆ 상태의 가상 교환로 인해 KK 진동수가 힉스 생성 단면적을 크게 증가시킨다.
• 표준모형과 첫 번째 KK 모드 간의 간섭이 이격의 주요 기여를 차지하며, Z′ 보손과 유사한 효과를 나타내지만, 전체 탑-타워 공명과 보편적 결합(표준모형 대비 √2 배)으로 인해 일반적인 Z′ 모형과 뚜렷이 구별된다.