[논문 리뷰] Exotic Implications of Electron and Photon Final States

Lisa Randall, Mark B. Wise|ArXiv.org|2008. 07. 10.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

TeV 스케일의 레지온이 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로 비교 가능한 분해율을 가지며 붕괴하는 것은 전자와의 직접 결합이 새로운 물리학에 의해 발생함을 시사하며, 전자 상호작용이 직접적으로 없는 스핀-1 또는 스핀-0 모델을 배제한다. 랜달-선드럼 칼루자-클라인 중력보는 유일하게 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ 비율을 예측하며, 스핀 측정 없이도 식별 가능하다.

ABSTRACT

New resonances with masses of order a few ${ m TeV}$ might be discovered at the LHC. We show that no resonance that couples to electrons only through Standard Model interactions can decay to both $e^+e^-$and $γγ$ with significant branching ratios. This means that finding both electron-positron and two-photon final states is evidence that electrons couple directly to the new physics associated with the resonance and furthermore that the resonance is not spin-1. The least fine-tuned such examples involve electron compositeness. One such example, Kaluza Klein excitations of the graviton in the version of the Randall Sundrum Model where Standard Model matter is located on the ${ m TeV}$ brane, can be distinguished from other possibilities by its predicted branching fractions into the two modes.

연구 동기 및 목표

• TeV 스케일 레지온에서 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태를 동시에 관측할 경우 전자가 새로운 물리학과 직접 결합하는지를 판단하는 것.
• 전체적으로 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로 비교 가능한 분해율을 자연스럽게 지닐 수 있는 이론적 모델을 규명하는 것.
• 전자와 직접 결합하는 레지온과 오직 표준모형 상호작용을 통해 붕괴하는 레지온을 구별하는 선택 규칙을 수립하는 것.
• 랜달-선드럼 KK 중력보가 예측하는 분해율 비율 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$로 인해 유일하게 식별 가능하다는 것을 보여주는 것.
• 相対 분해율을 이용한 모형에 종속되지 않는 방법으로 LHC에서 새로운 물리학을 탐색하는 강력한 방법을 제공하는 것.

제안 방법

• 스핀-0, 스핀-1, 스핀-2 레지온이 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로 붕괴하는 1차 순서 반응 진폭을 분석하는 것.
• 전자 스핀 상태에 따른 억제 효과를 적용하여 스핀-0 레지온의 $e^+e^-$ 붕괴 진폭이 전자 질량에 비례하고, 질량이 0인 극한에서 소멸한다는 것을 보여주는 것.
• 효과적 장 이론을 사용하여 KK 중력보가 SM 스트레스 텐서와의 결합을 모델링하는 것. $\mathcal{L}_{\text{int}} = \kappa h^{\text{KK}}_{\mu\nu} T^{\mu\nu}_{\text{SM}}$.
• 표본 1의 $f$ 요소를 사용하여 다양한 최종 상태에 대해 붕괴율을 계산하는 것. $\Gamma = \kappa^2 f M^3 / (80\pi)$.
• 다양한 최종 상태의 분해율을 비교하여 RS KK 중력보에 대해 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ 예측을 유도하는 것.
• 형광 변화 과정에 의한 제약 조건을 적용하여 대부분의 모델에서 게이지 대칭성 또는 복합성에 의해 보호되지 않는 한 직접 전자 결합을 배제하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자들이 오직 표준모형 상호작용을 통해만 레지온과 결합할 경우, $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로 비교 가능한 분해율을 가지며 붕괴할 수 있는가?
• RQ2 TeV 스케일 레지온에서 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태를 동시에 관측할 수 있는 선택 규칙은 무엇인가?
• RQ3 왜 랜달-선드럼 KK 중력보는 분해율 비율 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$로 인해 유일하게 식별 가능한가?
• RQ4 전자 복합성 또는 새로운 물리학과의 직접 결합은 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로의 분해율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 상대 분해율은 LHC에서 스핀 측정을 위한 각도 분포의 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 전자 질량을 忽略할 경우 스핀-0 레지온은 수준-1 붕괴에서 $e^+e^-$ 최종 상태로의 분해율이 유의미하게 발생하지 않으며, 스핀 억제 효과로 인해 발생하지 않는다.
• 전체적으로 $e^+e^-$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태로 비교 가능한 분해율을 가지는 레지온은 전자와의 직접 결합이 반드시 필요하며, 표준모형 매개 붕괴를 배제한다.
• 비교 가능한 분해율에 대해 자연스럽고 정밀 조정이 필요 없는 설명을 가진 유일한 알려진 시나리오는 브레인에 국한된 SM 필드를 가진 랜달-선드럼 KK 중력보이다.
• RS KK 중력보는 표본 1의 $f$ 요소에서 유도된 정확한 분해율 비율 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$를 예측한다.
• 이 비율은 스핀 측정 없이도 RS KK 중력보를 식별할 수 있게 하며, 강력한 실험적 서명을 제공한다.
• 오직 SM 최종 상태만 고려할 경우 분해율은 $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to e^+e^-) \simeq 0.022$ 및 $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to \gamma\gamma) \simeq 0.044$로 예측된다.