[논문 리뷰] Direct photons as probes of low mass strings at the LHC

Luis A. Anchordoqui, Haim Goldberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 고직도 운동량을 가진 직접 광자를 TeV 스케일의 개방 끈 물리학을 위한 探침으로 사용할 것을 제안한다. 광자-글루온 융합가능성이 끈 수준의 과정을 통해, 광자와 백색수량 U(1) 게이지 보손 간의 혼합에 의해 가능해지며, 100 fb⁻¹의 데이터에서 검출 가능한 신호를 생성할 수 있음을 보여주며, 실제 QCD 배경 억제 조건 하에서도 2.3 TeV까지의 끈 질량에 대해 5σ의 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

The LHC program will include the identification of events with single prompt high-k_\perp photons as probes of new physics. We show that this channel is uniquely suited to search for experimental evidence of TeV-scale open string theory. At the parton level, we analyze single photon production in gluon fusion, gg o γg, with open string states propagating in intermediate channels. If the photon mixes with the gauge boson of the baryon number, which is a common feature of D-brane quivers, the amplitude appears already at the string disk level. It is completely determined by the mixing parameter (which is actually determined in the minimal theory) -- and it is otherwise model-(compactification-) independent. We discuss the string signal cross sections as well as the QCD background. The present analysis takes into account the recently obtained decay widths of first Regge recurrences, which are necessary for more precise determination of these cross sections in the resonant region. A vital part of the background discussion concerns the minimization of misidentified π^0's emerging from high-p_\perp jets. We show that even for relatively small mixing, 100 fb^-1 of LHC data could probe deviations from standard model physics associated with TeV-scale strings at a 5σsignificance, for M_{ m string} as large as 2.3 TeV. It is also likely that resonant bumps could be observed with approximately the same signal-to-noise ratio.

연구 동기 및 목표

• 직접 고pT 광자를 사용하여 LHC에서 저질량 개방 끈 상태의 강력하고 모델에 종속되지 않는 서명을 식별하는 것.
• D-브레인 퀼리 모델에서 억제되는 표준모형과는 달리, 끈 디스크 수준에서의 글루온 융합(gg → γg)을 통한 단일 광자 생성을 분석하는 것.
• 신호 단면적을 정량화하고, 특히 잡음으로 인한 π⁰ → γγ 붕괴에서 유래한 제트에서의 오인식된 광자 쌍과의 QCD 배경을 구분하는 것.
• 첫 번째 레지오 응축 상태의 실제 붕괴 폭을 고려하여, LHC가 TeV 스케일의 끈 물리학에 의한 표준모형에서의 이탈에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하는 것.
• 100 fb⁻¹의 데이터로 작은 혼합 매개변수 조건 하에서도 2.3 TeV까지의 끈 스케일 물리학을 5σ의 민감도로 탐지할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 연구는 표준모형에서는 억제되지만 D-브레인 퀼리 모델에서 광자-백색수량 혼합에 의해 허용되는 끈 디스크(나무) 수준에서의 파arton 수준 과정 gg → γg를 분석한다.
• 모델 독립적인 끈 이론 단면적을 사용하여 앰플리튜드를 계산하며, 압축화 세부사항에 의존하지 않고 혼합 매개변수에 의해 완전히 결정된다.
• 단면적은 파arton 분포 함수, 에너지-운동량 보존을 위한 델타 함수, 스핀 평균화된 행렬 원소의 제곱을 포함하는 비탄성 생성 단면적 공식을 사용하여 유도된다.
• 관측 가능한 양상공간에 제약을 두고, 탐지기 수용 범위(|y| < 2.4)와 횡운동량 컷을 적용하여, 속도 및 속도 차이로의 변수 교체를 통해 진동 질량 분포를 계산한다.
• 최신의 첫 번째 레지오 응축 상태의 붕괴 폭을 고려하여 공진 영역에서의 정밀도를 향상시킨다.
• 주요 QCD 배경인 고pT 제트에서 유래한 오인식된 π⁰ → γγ 붕괴를 최소화함으로써 배경 억제를 다룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 pp 충돌에서 직접 고pT 광자는 TeV 스케일의 개방 끈 물리학을 위한 고유한 탐침이 될 수 있는가?
• RQ2 끈 디스크 수준에서의 gg → γg에 대한 신호 단면적의 크기는 무엇이며, 끈 스케일과 혼합 매개변수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 첫 번째 레지오 응축 상태의 업데이트된 붕괴 폭을 포함할 경우, 단면적 예측의 정밀도는 어떻게 향상되는가?
• RQ4 γ + 제트 채널에서 끈 스케일 물리학의 신호를 관측하기 위해 어느 정도의 배경 억제가 필요한가?
• RQ5 100 fb⁻¹의 LHC 데이터로 2.3 TeV까지의 끈 질량에 대해 5σ 민감도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 끈 디스크 수준에서의 gg → γg에 대한 신호 단면적은 광자-백색수량 혼합 매개변수에 의해 완전히 결정되며, 압축화 방식에 종속되지 않는 모델 독립적이다.
• 100 fb⁻¹의 데이터로, LHC는 TeV 스케일의 끈 물리학에 의한 표준모형에서의 이탈을 2.3 TeV까지의 끈 질량에서 5σ의 민감도로 탐지할 수 있다.
• γ + 제트의 진동 질량 스펙트럼에서 공진 피크는 5σ 민감도 임계치와 유사한 신호 대 잡음 비율로 관측 가능할 것이다.
• 첫 번째 레지오 응축 상태의 업데이트된 붕괴 폭을 포함함으로써, 공진 영역에서의 단면적 계산 정밀도가 향상된다.
• 오인식된 π⁰ → γγ 붕괴에서 유래한 주요 QCD 배경은 운동량 및 각도 컷을 통해 최소화될 수 있으며, 이를 통해 깔끔한 신호 추출이 가능하다.
• 신호는 끈 이론의 나무 수준에서 이미 발생하므로, 낮은 스케일의 끈 물리학을 위한 고유하고 직접적인 탐침이다.