[논문 리뷰] Dips at Colliders

Y. Bai, Wai-Yee Keung|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 36인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 충돌기에서 교차단면의 '저하'로 나타나는 새로운 물리 현상의 서명을 조사하며, 두 가지 별개의 메커니즘을 제안한다: s채널 교환에서의 간섭에 의한 간섭 및 타임-like 운동량에서의 정점 형상인자에 있는 영. 복잡한 극이 존재함에도 불구하고, 천연적인 on-shell 제약 조건은 실패하지만, 이러한 간섭 효과는 관측 가능한 저하를 생성할 수 있으며, LHC에서 새로운 탐색 채널을 제공한다.

ABSTRACT

We categorize new physics signatures that manifest themselves as a “dip” structure at colliders. One potential way to realize a dip is to require interactions to be zero when all particles are mass onshell, but not if one or more are mass off-shell. For three particle interactions, we have found three interesting cases: one massive gauge boson with two identical scalars; one massless gauge boson with two different scalars; one massive gauge boson with two identical massless gauge bosons. For each case, we identify the relevant effective operators to explore its dip signature at the LHC. Unfortunately, the unstable particle with a vanishing mass-on-shell interaction has a complex mass which is coincident with the complex pole in its propagator. As a result, a contact-like amplitude without a dip is produced. We then point out two other interesting ways that generate a dip in the cross section. The first way has a dip signature due to a zero in the vertex form factor of the timelike momentum in the s-channel. In the second way, the dip plus bump signature appears because there is destructive interference among processes of exchanging different s-channel particles.

연구 동기 및 목표

• 충돌기에서 교차단면의 저하로 나타나는 새로운 물리 현상의 서명을 식별하고 분류하는 것.
• 일부 입자 구성을 가진 on-shell 앰플리튜드가 0이 되는 원리가 저하 구조를 유도하는 방식을 탐색하는 것.
• 복잡한 극이 전파자 극과 겹쳐져서 저하 서명이 천연적인 on-shell 모델에서 파괴되는 문제를 해결하는 것.
• 저항성 있는 저하 서명을 생성할 수 있는 대안적 메커니즘—정점 형상인자 영과 s채널 교환 간의 간섭에 의한 간섭—을 제안하는 것.
• LHC에서 이러한 저하 신호를 탐지하기 위한 관련 효과적 연산자를 식별하는 것.

제안 방법

• 모든 입자가 질량면상에 있을 때는 on-shell 앰플리튜드가 0이 되지만, 비질량면일 땐 그렇지 않은 삼체 상호작용을 분석하며, 이러한 상호작용을 모델링하기 위해 효과적 장 이론을 사용한다.
• 전파자와 정점 함수의 해석적 구조를 분석하며, 특히 복잡한 극과 그 앰플리튜드 행동에 미치는 영향을 중점적으로 다룬다.
• on-shell 앰플리튜드가 0이 되면, 겹치는 복잡한 극으로 인해 접촉형 앰플리튜드가 되어 저하 서명이 파괴된다는 것을 밝힌다.
• s채널에서 타임-like 운동량에서 정점 형상인자의 영이 발생하면 교차단면에 저하가 발생할 수 있음을 제안한다.
• 다양한 s채널 교환 과정 간의 간섭으로 인해 교차단면에 저하-블록 형태의 구조가 나타나는 과정을 분석한다.
• 각 저하 생성 메커니즘과 관련된 효과적 연산자를 유도하여 LHC에서 직접 탐색이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼체 상호작용에서 모든 입자가 on-shell일 때 앰플리튜드가 0이 되면 교차단면의 저하가 발생할 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 조건에서 발생하는가?
• RQ2 왜 천연적인 on-shell 제약 조건 메커니즘이 복잡한 극이 전파자 극과 겹쳐져서 저하를 생성하지 못하는가?
• RQ3 s채널에서 타임-like 운동량에서 정점 형상인자의 영이 저하 서명을 유도할 수 있는가?
• RQ4 다양한 s채널 교환 과정 간의 간섭이 교차단면에 저하-블록 형태의 구조를 유도할 수 있는가?
• RQ5 LHC에서 이러한 저하 서명을 탐지하기 위해 관련된 효과적 장 이론 연산자는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 입자가 on-shell일 때 앰플리튜드가 0이 되는 천연 메커니즘은, 불안정한 입자의 복잡한 질량이 전파자 극과 겹쳐져서 접촉형 앰플리튜드로 이어지고 저하 서명이 사라지기 때문에 실패한다.
• s채널에서 타임-like 운동량에서 정점 형상인자의 영이 발생하면 저하가 생성될 수 있으며, 이는 저하 서명에 대한 타당한 대안적 메커니즘이다.
• 다양한 s채널 교환 과정 간의 간섭은 교차단면에 저하-블록 형태의 구조를 유도하며, 이는 강건하고 관측 가능한 저하 서명을 제공한다.
• 각 저하 생성 메커니즘과 관련된 효과적 연산자가 식별되어 LHC에서 직접 실험적 탐색이 가능해졌다.
• 연구는 on-shell 제약 조건이 해석적 구조로 인해 실패하는 반면, 간섭과 형상인자 영이 저하 서명을 관측할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다는 것을 입증한다.
• 이러한 메커니즘은 전통적인 공명 또는 임계값 신호를 초월하여 충돌기에서 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있는 새로운 길을 열어준다.