[논문 리뷰] Gravity particles from Warped Extra Dimensions, predictions for LHC

A. Carvalho Antunes De Oliveira|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 80인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 LHC 에너지(8, 13, 14, 100 TeV) 전역에서 고전적 도구를 사용하여, 왜곡된 추가 차원(WED) 모델에서 스핀-2 KK-중력장과 스핀-0 라디언에 대한 업데이트된 현상학적 예측을 제시한다. RS1 및 버블 시나리오를 비교하며, 충돌기 검색을 위한 기준 단면적과 분해비를 제공하며, 주요 결과로는 곡률 스케일 $ ilde{k}$와 SM 입자에 대한 모델 특화 결합 상수에 대한 강한 의존성이 드러난다.

ABSTRACT

Warped Extra Dimension scenarios are a rich playground for phenomenology of heavy resonances at LHC. The Radion and the KK-graviton are inevitable signatures of this class of models. On face of the latest LHC experimental results on the direct searches for Beyond Standard Model physics we update the phenomenological predictions for production and decay of such resonances in its main production modes. We also highlight the phenomenology results relevant to collider searches in individual channels, and provide tools for interpretation of current and future experimental analyses using two specific benchmarks as example.

연구 동기 및 목표

• 다양한 LHC 중심질량 에너지 런에 걸쳐 왜곡된 추가 차원 모델에서 KK-중력장과 라디언에 대한 현상학적 예측을 업데이트하고 비교하는 것.
• 이중 제트, 이중 보존, 이중 렙톤 및 힉스 연관 최종 상태에서의 공명 탐색에 대한 실험적 해석을 위한 표준화된 벤치마크를 제공하는 것.
• 특히 $ ilde{k}$와 $ ilde{\Lambda}_R$와 같은 모델 매개변수들이 생산 단면적과 분해비율에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 신호 위상과 모델 가정을 표준화하여 서로 다른 실험 분석 간의 공정한 비교를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• SM 입자가 테르바이오브레인에 국한된 RS1 또는 SM 입자가 부피 안에서 확장되는 버블 시나리오로 구성된 왜곡된 다섯 번째 차원을 가진 Randall-Sundrum 모델을 사용한다.
• 5차원 중력과 물질의 상호작용에서 유도된 해석적 공식을 사용하여, KK-중력장과 라디언의 SM 최종 상태로의 붕괴 비율을 계산한다. 이는 $\Gamma(G^* \to HH)$, $\Gamma(G^* \to gg, \gamma\gamma)$, $\Gamma(G^* \to WW, ZZ)$, $\Gamma(G^* \to t\bar{t}, f\bar{f})$를 포함한다.
• 완전한 QCD 및 전자약력 보정을 적용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해, 쿼크 융합, 글루온 융합, 광자 융합 및 전자약력 연관 생성 방식을 통한 생산 단면적을 계산한다.
• 모델 매개변수 $ ilde{k}$와 $ ilde{\Lambda}_R$에 따른 단면적과 분해비율의 스케일링 법칙을 유도하여, 매개변수 공간 전역에서의 보간을 가능하게 한다.
• 해석적 계산, 다른 몬테카를로 도구, 그리고 커뮤니티에서 공개된 결과와의 교차 검증을 통해 결과의 타당성을 검증한다.
• RS1과 버블 시나리오 각각에 대해 하나의 벤치마크 모델을 사용하여 실험적 해석을 위한 툴킷을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜곡된 추가 차원에서의 KK-중력장과 라디언의 생산 단면적과 붕괴 분해비율은 어떤가? 이는 LHC의 중심질량 에너지(8, 13, 14, 100 TeV)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 SM 입자가 테르바이오브레인에 위치한 RS1 모델과 SM 입자가 부피 안에서 확장되는 버블 모델 간의 현상학적 차이는 무엇인가?
• RQ3 KK-중력장과 라디언이 SM 입자, 특히 힉스, 광자, 글루온, 토퍼 쿼크와의 결합이 다양한 최종 상태에서의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 단면적은 모델 매개변수 $ ilde{k}$와 $ ilde{\Lambda}_R$에 따라 어떻게 스케일링되며, 이러한 스케일링 법칙을 통해 매개변수 공간 전역에서 결과를 외삽할 수 있는가?
• RQ5 이러한 공명 탐색에서 가장 민감한 채널은 무엇이며, 두 벤치마크 모델 간의 신호 위상은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 고정된 $m_{G^*}$에서 KK-중력장의 생산 단면적은 $\sigma \propto \tilde{k}^2$로 스케일링되며, 글루온 융합 및 광자 융합 모드에서 가장 강한 의존성이 나타난다.
• 라디언의 경우 단면적은 $\sigma \propto (3\,\text{TeV}/\Lambda_R)^2$로 스케일링되어, $\Lambda_R$ 값 전역에서의 보간이 가능하다.
• $G^*$의 $WW$, $ZZ$, $gg$, $\gamma\gamma$로의 분해비율은 $ ilde{k}$에 독립적이지만, 총 붕괴율은 $ ilde{k}^2$에 비례하여 증가한다.
• $HH$로의 붕괴 분해비율은 고에너지 $m_{G^*}$에서 억제되며, $\Gamma(G^* \to HH) \propto (1 - 4m_H^2/m_{G^*}^2)^{5/2}$로 표현되며, $m_{G^*} \gg 250\,\text{GeV}$일 경우 무시할 수 없을 정도로 감소한다.
• 버블 시나리오에서는 $gg$ 및 $\gamma\gamma$ 생산 단면적은 $d_g$ 결합에 의존하며, $ ilde{k}$가 증가함에 따라 비율이 약간 억제되며, 이는 식 (B.3)의 수정된 스케일링이 필요하다.
• 버블 모델에서의 광자 융합 단면적은 RS1 경우와 $\sigma_{\text{bulk}}^{(\gamma\gamma)} \propto (d_g \tilde{k})^2 \sigma_{\text{RS1}}^{(\gamma\gamma)}$ 관계로 연결되며, $ ilde{k}$에 대한 비선형적 의존성이 나타난다.