[논문 리뷰] Production of light stabilized radion at high energy hadron collider

Uma Mahanta, Anindya Datta|arXiv (Cornell University)|2000. 02. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 히드론 충돌기에서 랜디언-선드룸 모형 내의 경량 랜디언의 생성과 탐지에 대해 조사하며, QCD 및 QED의 등각 대칭 위반에 기인한 강화된 결합으로 인해 글루온 융합을 통한 랜디언 생성 단면적이 블랙홀 생성 단면적의 6–8배에 이를 것임을 보여준다. 랜디언의 이중광자 및 이중제트 채널으로의 분해비율은 표준모형 블랙홀보다 5–8배 높아지며, 이는 ⟨φ⟩ = 1 TeV일 때 LHC에서 1 TeV 이하까지의 질량 범위에서 γγ 채널이 강력한 탐지 채널이 될 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

In this paper we use the conformal anomaly in QCD to derive the coupling of light radion to gluons in the Randall-Sundrum model and use it to compute the radion production cross section at hadron colliders by gluon fusion. We find that the radion production cross section by gluon fusion at LHC would exceed that of the higgs boson by a factor that lies between 7 and 8 over most of the range. The decay modes of the radion are similar to that of the SM higgs boson. But the striking feature is the enhancement of radion to 2-photon and radion to 2-gluon branching ratio over the SM case. Utilising this, we then discuss the possible search strategies of such scalars at Tevatron and LHC. Using the $γγ$ decay mode one can explore/exclude radion mass upto 1 TeV. Even with the current collected data at the Tevatron, one can exclude radion mass upto 120 GeV for $\vphi$= 1 TeV.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 QCD 및 QED 등각 비대칭을 이용해 랜디언-글루온 및 랜디언-광자 결합을 유도하는 것.
• 글루온 융합를 통한 랜디언 생성 단면적을 히드론 충돌기에서 계산하고, 표준모형 블랙홀 생성 단면적과 비교하는 것.
• 랜디언이 SM 입자로 붕괴하는 분해비율을 분석하고, 특히 γγ 및 gg 모드를 비교하는 것.
• 현재 및 향후 레이저 빛도를 고려하여 γγ 최종 상태를 이용한 랜디언 탐지 가능성 평가.
• γγ 인variant 질량 분포에서 신호 대 배경 비율을 기반으로 한 랜디언 질량의 탐지 및 배제 한계 설정

제안 방법

• QCD의 추적 비대칭을 이용해 랜디언-글루온 결합 유도: $\mathcal{L}_{\tilde{\phi}gg} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{\beta(g_s)}{2g_s} \tilde{\phi} G^{a\mu\nu} G^a_{\mu\nu} $, $ \frac{\beta(g_s)}{2g_s} \approx -3.84 \frac{\alpha_s}{4\pi} $ (5개의 쿼크를 가정할 경우).
• QED의 추적 비대칭을 통한 랜디언-광자 결합 계산: $ \mathcal{L}_{\tilde{\phi}\gamma\gamma} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{\beta(e)}{2e} \tilde{\phi} F_{\mu\nu} F^{\mu\nu} $, $ \frac{\beta(e)}{2e} $ 값은 랜디언 질량이 토프 및 W 보존의 임계값에 비해 어디에 위치하는지에 따라 달라진다.
• 다양한 SM 최종 상태로의 랜디언 분해비율 계산하며, $ \tilde{\phi} \to gg $ 및 $ \tilde{\phi} \to \gamma\gamma $ 모드가 ⟨φ⟩ = 1 TeV일 때 표준모형 블랙홀보다 5–8배 높아짐을 확인한다.
• Tevatron 및 LHC에서 γγ 인variant 질량 채널의 신호 및 배경 사건 수 추정. 광자의 횡방향 운동량에 대한 컷(>20 GeV) 및 5 GeV 간격의 구간으로 나누어진 분석.
• 신호 사건 수와 배경 수를 비교하여 탐지 및 배제 가능성을 평가하며, 탐지 기준은 5의 유의수준, 배경 기준은 1개 이하의 배경 사건 per bin을 기준으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD의 등각 비대칭은 랜디언과 글루온 사이의 결합을 어떻게 생성하는가?
• RQ2 LHC에서 글루온 융합를 통한 랜디언 생성 단면적은 표준모형 블랙홀에 비해 어느 정도인가?
• RQ3 랜디언의 γγ 및 gg 채널 분해비율은 표준모형 블랙홀에 비해 어떻게 다른가? 증폭 요인은 얼마인가?
• RQ4 Tevatron 및 LHC에서 γγ 붕괴 모드를 이용한 랜디언 질량의 탐지 및 배제 한계는 무엇인가?
• RQ5 랜디언 질량이 γγ 분해비율에 미치는 영향은 표준모형 블랙홀과 어떻게 다를까? 이는 탐지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LHC에서 글루온 융합를 통한 랜디언 생성 단면적은 대부분의 질량 범위에서 표준모형 블랙홀 생성 단면적의 6–8배에 이를 것임.
• ⟨φ⟩ = 1 TeV일 때, 랜디언의 이중광자 붕괴 분해비율은 표준모형 블랙홀보다 5–8배 높아진다.
• 이중글루온 붕괴 분해비율 역시 크게 증가하여 특정 랜디언 질량에서는 거의 100%에 이를 수 있다.
• 업그레이드된 Tevatron에서 ⟨φ⟩ = 1 TeV일 경우, γγ 최종 상태를 이용해 랜디언 질량 160 GeV 이하를 탐지하고, 165 GeV 이하까지 배제 가능하다.
• 30 fb⁻¹ 레이저 빛도를 가진 LHC에서는 γγ 채널을 통해 랜디언 질량 1 TeV 이하까지 탐지 가능하며, 질량 범위 전반에서 신호 대 배경 비율이 탐지에 유리하다.
• ⟨φ⟩ = 4 TeV일 경우, 생성 단면적이 $ 1/\langle\phi\rangle^2 $ 비례하여 감소함에 따라 γγ 모드를 통한 탐지 가능 범위는 650 GeV으로 줄어든다.