[논문 리뷰] Physics of the radion in the Randall-Sundrum scenario

Graham D. Kribs|ArXiv.org|2001. 10. 17.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 랜디언—추가 차원 크기의 변동을 매개하는 스칼라 장—이 랜드all-Sundrum 모델에서 TeV 범위의 질량을 가지며, 스칼라 장의 에너지-모멘텀 텐서의 트레이스와 약 1/TeV 수준의 결합을 가짐을 조사한다. 랜디언은 힉스 보손과 혼성할 수 있으며, 이는 전자기적 정밀도 관측량의 수정과 생산 및 붕괴 확률의 변화를 포함한 상당한 현상학적 효과를 초래한다. 특히 혼성이 강할 경우 이러한 효과가 두드러진다.

ABSTRACT

In the Randall-Sundrum solution to the hierarchy problem, the fluctuations of the size of the extra dimension are characterized by a single scalar field, called the radion. The radion is expected to have a mass somewhat lower than the TeV scale with couplings of order 1/TeV to the trace of the energy momentum tensor. In addition, the radion can mix with the Higgs boson. Implications for phenomenology are briefly reviewed.

연구 동기 및 목표

• 스테이블라이즈드 랜드all-Sundrum 모델에서 추가 차원의 스칼라 진동자인 랜디언의 물리적 성질을 이해하는 것.
• 보조 스칼라 장에 의한 추가 차원의 안정화를 고려할 때, 랜디언의 질량과 결합을 결정하는 것.
• 전자기적 정밀도 관측량과 산란 진폭에 대한 랜디언-힉스 혼성의 영향을 분석하는 것.
• collider 에서의 랜디언의 현상학적 서명, 특히 생산 및 붕괴 채널을 평가하는 것.

제안 방법

• 메트릭 변동과 안정화를 위한 보조 스칼라 장의 반작용을 페르투르바티브 방법으로 다루어 랜디언 질량을 계산한다.
• 5차원 작용을 $g_{55}$ 메트릭 성분에 대해 변분함수를 적용하여 표준모형의 에너지-모멘텀 텐서의 트레이스와의 랜디언 결합을 유도한다.
• 하드론 및 $e^+e^-$ collider 에서의 랜디언 생산을 평가하며, 결합 계수 $\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$ 를 통해 표준모형 힉스의 단면적과 관련시킨다.
• 랜디언 붕괴 모드를 분석하며, $m_r \gtrsim 12m_b$ 인 경우 트레이스 이상에 의한 $r \to gg$ 가 지배적임을 강조하고, 고에너지에서는 $r \to W^+W^-$, $ZZ$, $hh$ 가 지배적임을 밝힌다.
• 4차원 효과 이론에서 랜디언과 힉스 장 사이의 무차원 혼성 항 $S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^†H$ 을 포함한다.
• 랜디언-힉스 혼성이 전자기적 관측량(S, T 파rameters)과 게이지 보손 산란 진폭에 미치는 영향을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스테이블라이즈드 랜드all-Sundrum 모델에서 랜디언의 질량은 얼마이며, 안정화 메커니즘에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 랜디언의 표준모형 장과의 결합은 힉스 보손과 어떻게 비교되며, 주요 생산 및 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ3 랜디언-힉스 혼성의 전자기적 정밀도 관측량에 대한 현상학적 결과는 무엇인가?
• RQ4 트레이스 이상은 랜디언의 글루온과의 결합에 어떻게 영향을 미치며, collider 생산에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 상당한 랜디언-힉스 혼성이 존재할 경우, 4차원 절단 스케일에 도달하기 이전에 게이지 보손 산란에서 강한 동역학이 나타날 수 있는가?

주요 결과

• 랜디언 질량은 $\mathcal{O}(10\;\text{GeV}) \lesssim m_r \lesssim \Lambda$ 범위로 추정되며, 하한은 반사적 보정에서 기인하고 상한은 4차원 절단 스케일에서 기인한다.
• 랜디언은 표준모형 에너지-모멘텀 텐서의 트레이스와 $\sim 1/\Lambda$ 정도의 강도로 결합하며, 이는 힉스 보손과의 비교에서 $\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$ 로 억제된 결합을 의미한다.
• 하드론 collider 에서의 주요 생산은 글루온과의 루프 유도 결합을 통해 일어나며, QCD $\beta$-함수에 의해 증폭되며, 단면적은 $\sigma(e^+e^- \to Zr) = \gamma^2 \sigma(e^+e^- \to Zh)$ 와 관련된다.
• For $12m_b \lesssim m_r \lesssim 2M_W$ 인 경우, 트레이스 이상에 의해 $r \to gg$ 가 지배적이다; 낮은 질량에서는 $r \to b\bar{b}$ 가 유의미하며, 고에너지에서는 $W^+W^-$, $ZZ$, $hh$ 가 지배적이다.
• 운영자 $S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^\dagger H$ 를 통한 랜디언-힉스 혼성은 S 및 T 파라미터에 큰 이격을 초래할 수 있으며, $\xi$ 가 중간 크기이고 음수일 경우 두 입자가 모두 무거울 수 있다($\gtrsim 300\;\text{GeV}$).
• 랜디언-힉스 혼성이 상당히 크면 4차원 절단 스케일 $\Lambda$ 이하에서 $WW$ 산란에서 강한 동역학이 나타나며, 이는 파라미터의 비정상성의 신호이다.