[논문 리뷰] Reconciling small radion vacuum expectation values with massive gravitons in an Einstein-Gauss-Bonnet warped geometry scenario

Ushoshi Maitra, Biswarup Mukhopadhyaya외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 랜들-선드럼 모델의 5차원 아인슈타인-힐버트 작용에 가우스-봄제(Gauss-Bonnet, GB) 항을 도입함으로써 라디언 진공기대값(vev)이 첫 번째 칼루자-클라인 중력보 자극 상태의 질량과 분리됨을 제안한다. GB 결합 매개변수 𝛼를 조절함으로써, 라디언 vev를 1–1.5 TeV로 유지하면서도 중력보 질량을 3 TeV 이상으로 유지할 수 있으며, 이는 최소한의 RS 모델에서는 달성할 수 없는 방식으로 작은 라디언 vev와 큰 중력보 질량을 동시에 충족시킨다.

ABSTRACT

In the usual 5-dimensional Randall-Sundrum scenario with warped geometry of the extra compact dimension, the Goldberger-Wise mechanism for stabilisation of the radius of compactification can lead to a scalar field called the radion. The radion can have implications in TeV-scale physics, which can be especially noticeable if its vacuum expectation value (vev) is not far above a TeV. However a large mass of the first graviton excitation, which seems to be suggested by recent search limit, tends to make the radion vev, far too large in the minimal model. We show that this is not the case if a Gauss-Bonnet term, containing higher powers of the curvature, is present in the 5-dimensional action. As a result, a radion with vev in the range 1-1.5 TeV can be consistent with the first graviton excitation mass well above 3 TeV.

연구 동기 및 목표

• 큰 중력보 질량(>2.5 TeV)이 큰 라디언 vev(>30 TeV)를 암시하여 라디언 현상학이 무시 가능해지는 최소한의 랜들-선드럼 모델에서의 갈등을 해결하기.
• 5차원 작용에 가우스-봄제 항을 포함함으로써 라디언 vev와 중력보 질량 스케일 간의 관계를 분리할 수 있는지 조사하기.
• 비대칭 초구형 차원 환경에서 1–1.5 TeV 범위의 라디언 vev가 높은 첫 번째 KK 중력보 질량(>3 TeV)과 일관되게 유지될 수 있는지 확인하기.
• 엄격한 LHC 제한 조건에도 불구하고 라디언 현상학이 풍부한 저에너지 라디언 vev의 가능성 탐색하기, 특히 라디언-히긴스 혼합 포함

제안 방법

• 연구는 5차원 아인슈타인-힐버트 작용에 가우스-봄제 항을 추가하여 고차 미분 곡률 보정을 도입하며, 이는 𝛼로 매개변수화된다.
• 라디언 장을 안정화하기 위해 골드버거-위즈 메커니즘을 사용하며, 라디언 vev 𝛬_φ는 압축화 반경과 왜곡 인자에 의해 결정된다.
• 효과적인 4차원 플랑크 질량은 5차원 플랑크 질량과 수정된 왜곡 인자로부터 유도되며, 이는 이제 𝑘_𝑅𝑆와 GB 결합 𝛼에 모두 의존한다.
• 첫 번째 칼루자-클라인 중력보 자극 상태의 질량은 EGB 작용에서 유도된 수정된 장 방정식을 사용하여 𝛼, 𝑘_𝑅𝑆/𝑀̄_𝑃𝑙, 및 𝛬_φ에 따라 수치적으로 계산된다.
• 분석은 𝑘_𝑅𝑆/𝑀̄_𝑃𝑙와 𝛼의 다양한 조합에서 유도된 중력보 질량과 라디언 vev를 비교하며, 고정된 𝛬_φ 조건에서 질량-𝛼 곡선의 상단 분지가 𝑘_𝑅𝑆/𝑀̄_𝑃𝑙에 거의 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다.
• 핵심 방정식은 GB 매개변수에 따른 중력보 질량 이동을 연결한다: 𝛼 = (3/8)(𝛬_φ𝑥₁/√24)^{4/3} [ (𝑚_𝐺²(𝛼)−𝑚_𝐺²(𝛼=0)) / 𝑚_𝐺^{10/3}(𝛼) ] (고정된 𝛬_φ 조건에서)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 5차원 모델에서 라디언 진공기대값이 1–1.5 TeV이고 첫 번째 칼루자-클라인 중력보 질량이 3 TeV 이상일 수 있는가?
• RQ2 가우스-봄제 항의 포함이 랜들-선드럼 시나리오에서 라디언 vev와 중력보 질량 간의 관계를 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 가우스-봄제 보정은 낮은 라디언 vev를 유지하면서도 높은 중력보 질량을 유지할 수 있게 해주며, 이는 LHC 제한 조건에도 불구하고 풍부한 라디언 현상학을 유지할 수 있게 하는가?
• RQ4 높은 중력보 질량과 작은 라디언 vev를 동시에 만족시키는 데 적합한 가우스-봄제 결합 매개변수 𝛼의 범위는 무엇이며, 이는 이론적 한계 내에 있는가?

주요 결과

• 라디언 vev가 1.0 TeV일 경우, GB 결합 매개변수 𝛼를 0.1로 설정하면 𝑘_𝑅𝑆/𝑀̄_𝑃𝑙 = 0.1 조건에서도 첫 번째 KK 중력보 질량이 최대 3 TeV에 도달할 수 있다.
• 고정된 라디언 vev 조건에서 중력보 질량 대 𝛼 도표의 상단 분지는 𝑘_𝑅𝑆/𝑀̄_𝑃𝑙에 거의 영향을 받지 않으며, 이는 다양한 부스러기 곡률 스케일에서의 강건성을 시사한다.
• 𝛬_φ = 1.5 TeV일 경우, 𝛼 ≈ 0.1에서 중력보 질량이 3 TeV를 초과하며 현재 ATLAS 제한 조건과 일관된다.
• 가우스-봄제 항 덕분에 중력보 질량이 3 TeV 이상으로 끌어올려져도 라디언 vev는 1–1.5 TeV로 유지될 수 있으며, 이는 𝑘_𝑅𝑆가 플랑크 스케일 초과가 되는 것을 피할 수 있게 한다.
• 모델은 헬로그래픽 이중장 이론 제약 조건과도 일관되며, 선택된 𝛼 값의 이론적 타당성을 검증한다.
• 결과적으로 라디언 현상학, 특히 라디언-히긴스 혼합이 LHC에서 관측 가능해질 가능성이 다시 열리며, 이는 KK 중력보가 탐지 불가능할지라도 가능하다.