[논문 리뷰] Lorentz-symmetry violation in the electroweak sector: scattering processes in future $e^+ \, e^-$ colliders

Philipe De Fabritiis, P. C. Malta외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 10.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 100인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전자-양전자 충돌기에서 미래의 테바 스케일 e⁺e⁻ 충돌기에서의 수준에서의 시간-유사 성분에 대해 상한을 제시함으로써, 전자약력 상호작용 부문에서 CPT-짝성 반전, 비최소적 로렌츠 대칭 위반(LSV) 상호작용을 조사한다. 두 개의 LSV 4벡터 ρ와 ξ를 도입하고 이를 통합하여 ρ = ξ로 설정함으로써, 렙톤, 게이지 보손 및 힉스 보손 간의 상호작용을 수정한다. 테바 스케일 e⁺e⁻ 충돌기에서 e⁺e⁻ → ZH, e⁺e⁻ → ZZ 및 γγ → W⁺W⁻의 1차 반응단계 단면적 계산을 통해, LSV 4벡터의 시간-유사 성분에 대한 상한을 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹ 수준으로 추정하며, 이는 이전의 제약 조건과 일치하며 향후 충돌기가 로렌츠 대칭 위반에 대해 얼마나 민감한지를 강조한다.

ABSTRACT

We study CPT-odd non-minimal Lorentz-symmetry violating couplings in the electroweak sector modifying the interactions between leptons, gauge mediators and the Higgs boson. The tree-level (differential) cross sections for three important electroweak processes are discussed: $e^+ \, e^- ightarrow Z \, H$, $e^+ \, e^- ightarrow Z \, Z$ and $\gamma \, \gamma ightarrow W^+ \, W^-$. By considering next-generation $e^+ \, e^-$ colliders reaching center-of-mass energies at the TeV scale and the estimated improved precision for the measurements of the respective cross sections, we are able to project upper bounds on the purely time-like background 4-vector as strict as $\lesssim 10^{-5} \, \mbox{GeV}^{-1}$, in agreement with previous work on similar Lorentz-violating couplings.

연구 동기 및 목표

• 전자약력 부문에서 CPT-짝성 반전, 비최소적 로렌츠 대칭 위반(LSV) 상호작용의 현상학적 영향을 조사하는 것.
• SU(2)ₗ 및 U(1)ᵧ 부문에 독립적인 두 개의 LSV 4벡터(ρ와 ξ)를 도입하여 이전의 LSV 연구를 확장하고, 이를 ρ = ξ로 통합하는 것.
• 핵심 전자약력 과정의 정밀 측정을 통해 차세대 e⁺e⁻ 충돌기가 이러한 LSV 효과에 대해 얼마나 민감한지를 평가하는 것.
• 1차 반응단계 단면적 수정을 통해 LSV 4벡터의 시간-유사 성분에 대한 상한을 제시하는 것.
• 현재의 실험적 한계를 초월하여, 향후 충돌기가 테바 스케일에서 로렌츠 위반을 어떻게 探색할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 전자약력 부문을 두 개의 LSV 4벡터 ρ와 ξ와 연결하는 비최소적 표준모형 확장 모델을 제안하며, 상호작용의 구조를 단순화하기 위해 ρ = ξ로 설정한다.
• e⁺e⁻ → ZH, e⁺e⁻ → ZZ 및 γγ → W⁺W⁻의 세 가지 핵심 과정에 대해 1차 반응단계 피카르드 규칙과 산란 진폭을 유도하며, LSV에 의해 유도되는 수정을 포함한다.
• 이 과정들의 미분 및 총 단면적을 계산하며, 게이지 보손 및 힉스 보손의 꼬리에 LSV 수정을 포함한다.
• 미래의 e⁺e⁻ 충돌기에서 예상되는 실험적 민감도와 예측된 LSV 수정 단면적을 비교한다.
• 태양 중심 기준좌표계에서 배경이 고정되어 있다고 가정할 때, LSV 4벡터의 시간-유사 성분에 대한 상한을 유도하기 위해 민감도 분석을 수행한다.
• 표준모형 확장(SME) 프레임워크를 이론적 기초로 사용하여, 기존 제약 조건과 효과적 필드 이론 원칙에 부합하는 LSV 상호작용을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CPT-짝성 반전, 비최소적 로렌츠 대칭 위반 상호작용은 전자-양전자 충돌기에서 핵심 전자약력 과정의 단면적을 어떻게 수정하는가?
• RQ2 미래의 테바 스케일 전자-양전자 충돌기는 전자약력 부문의 LSV 4벡터의 시간-유사 성분에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 미래 충돌기의 예상 정밀도는 순수하게 시간-유사 배경에 대해 기존의 제약 조건을 초월할 수 있는가?
• RQ4 LSV에 의해 유도된 ZH 및 ZZ 생성 진폭의 수정은 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 γγ → W⁺W⁻ 과정은 전자약력 부문에서의 로렌츠 위반을 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 이 연구는 CPT-짝성 반전, 비최소적 로렌츠 대칭 위반 상호작용에 의해 유도되는 e⁺e⁻ → ZH, e⁺e⁻ → ZZ 및 γγ → W⁺W⁻의 1차 반응단계 단면적 수정을 유도한다.
• 미래의 e⁺e⁻ 충돌기에서 예상되는 실험적 민감도와 LSV 수정 단면적을 비교함으로써, 연구자들은 LSV 4벡터의 시간-유사 성분에 대해 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹ 수준의 상한을 제시한다.
• 유도된 제약 조건은 유사한 LSV 상호작용에 대한 이전 제약 조건과 일치하며, 분석 프레임워크의 강건성을 검증한다.
• 결과는 CEPC, FCC-ee 또는 ILC와 같은 미래의 e⁺e⁻ 충돌기가 순수하게 시간-유사 LSV 배경에 대해 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹ 수준에서 로렌츠 대칭 위반을 탐지할 수 있는 민감도를 지닌다는 것을 시사한다.
• 고에너지 렙톤 충돌기에서 전자약력 과정의 정밀 측정이 로렌츠 대칭 위반 탐지에 매우 효과적인 수단임을 확인한다.
• 통합된 ρ = ξ 시나리오는 ZH 및 ZZ 생성에서 관측 가능한 수정을 유도하며, 이는 힉스 및 게이지 부문에서의 로렌츠 위반 탐지에 이상적인 과정임을 나타낸다.