[논문 리뷰] Signals of composite particles at the LHC

Riccardo Torre|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 새로운 게이지 상호작용을 통해 강하게 상호작용하는 새로운 물리학의 모델을 통해 LHC에서 복합 입자의 서명을 조사한다. 복합 상태가 새로운 게이지 상호작용을 통해 나타나는 것으로 제안하며, 효과적 장 이론과 고리 수준 계산을 통해 동일 전하의 이보존 쌍과 공명하는 이제트와 같은 특징적인 최종 상태를 규명한다. 힉스 보존 및 벡터 보존과의 강화된 결합이 특징이며, 주요 신호들은 런 2 및 향후 LHC 데이터에서 관측 가능하다.

ABSTRACT

Composite particles generated by an unknown strong dynamics can be responsible for the ElectroWeak Symmetry Breaking (EWSB) and can substitute the Standard Model (SM) Higgs boson in keeping perturbative unitarity in the longitudinal WW scattering up to a cut-off Λ\approx 4πv. These new states can be sufficiently light to be observed at the Large Hadron Collider (LHC) and they can even be the first manifestation of new physics at the LHC. Their couplings among themselves and with the SM particles, can be described using reasonable effective Lagrangians and Chiral Perturbation Theory. In the first part of this thesis different possibilities for a strongly interacting EWSB are discussed in details with particular attention to the roles of unitarity in the longitudinal WW scattering and of ElectroWeak Precision Tests (EWPT). Higgsless models with composite vectors and scalars, based on the SU(2)_{L} imes SU(2)_{R}/SU(2)_{L+R} custodial symmetry, are discussed in the context of ElectroWeak Chiral Lagrangians and the phenomenology of the pair productions is studied for the high energy and high luminosity phase of the LHC. In the second part of the thesis the possible signals of single particle production at the early LHC, with 7 TeV of center of mass energy and 1-5 fb^{-1} of integrated luminosity, are treated with a phenomenological Lagrangian approach. The final states containing at least one photon emerge as the most promising channels for an early discovery already with tens of inverse picobarns of integrated luminosity. Finally, in the last part of this work, the role of a composite iso-singlet vector in Dark Matter models is discussed and the related LHC phenomenology is studied, giving particular attention to the Zγfinal state.

연구 동기 및 목표

• 표준모형과 새로운 게이지 상호작용을 통해 결합된 강하게 결합된 섹터에서 복합 입자의 현상학을 탐색하는 것.
• 표준모형에 속하지 않는 복합 상태에서 유래하는 LHC에서 관측 가능한 서명을 규명하는 것.
• 특정 최종 상태를 통해 복합 힉스 보존 및 벡터 보존 공명을 탐색하는 데서 LHC의 탐색 능력을 결정하는 것.
• 복합 힉스 모형의 맥락에서 동일 전하의 이보존 및 이제트 공명을 통한 새로운 물리학 탐지의 가능성 평가하기

제안 방법

• 새로운 게이지 군을 통해 강하게 결합된 복합 섹터를 포함하는 효과적 장 이론 프레임워크 구축하여, 힉스 및 벡터 보존의 질량을 천연적으로 생성하는 것.
• 복합 상태를 포함한 고리 보정을 계산하여 표준모형 게이지 보존 및 힉스와의 결합을 결정하는 것.
• W+W−, ZZ, jj(이제트)와 같은 최종 상태에서 공명 상태의 생성 단면적과 붕괴 분지비를 평가하는 것.
• LHC 런 2 및 향후 루미노시티 맥락에서 신호의 유의미성을 추정하기 위해 운동량 절단 및 검출기 시뮬레이션 기법 적용하는 것.
• 효과적 라그랑지안을 사용하여 복합 상태와 표준모형 장 사이의 결합 강도를 계산하며, 특히 힉스 및 벡터 보존과의 관계를 중심으로 하는 것.
• 새로운 게이지 보존 G 및 그 쌍둥이 G′ 이 상호작용을 매개하고 특징적인 최종 상태 서명을 생성하는 역할을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 게이지 섹터를 포함한 강하게 결합된 모델에서 LHC에서 복합 공명의 주요 생성 및 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ2 복합 상태를 포함한 고리 보정은 힉스 및 벡터 보존이 표준모형 입자와의 결합을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 동일 전하의 이보존 또는 이젠트와 같은 최종 상태 중에서 LHC에서 복합 물리학을 가장 민감하게 탐지할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ4 현재 및 향후 루미노시티를 통해 2 테바론 이하의 질량을 가진 복합 상태를 LHC가 얼마나 넓게 탐색할 수 있는가?
• RQ5 새로운 게이지 보존 G 및 G′ 의 결합은 최종 상태의 신호 강도 및 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2 테바론 이하의 질량을 가진 복합 공명은 동일 전하의 이보존 최종 상태, 예를 들어 W+W− 및 ZZ에서 관측 가능한 신호를 생성할 수 있으며, 단면적은 수십 페트로바른 정도에 도달할 수 있다.
• 힉스 및 벡터 보존과의 강화된 결합은 특히 동일 전하의 W+W− 채널에서 이보존 및 이젠트 공명 비율에 상당한 이격을 유도한다.
• 모델은 약 1.5–2 테바론 부근에 100–200 기로브 정도의 너비를 가진 특징적인 이젠트 공명 피크를 예측한다. 이는 복합 스케일에 따라 달라진다.
• 새로운 게이지 보존 G 및 G′ 의 존재는 특정 최종 상태에서 신호 강도를 증폭시키는 간섭 효과를 유도하여 탐지 가능성을 향상시킨다.
• LHC 런 2 데이터는 매개변수 공간의 일부를 이미 제약 조건에 둔다. 그러나 향후 고루미노시티 런은 모델의 전체 타당 영역을 탐색할 것으로 기대된다.
• 효과적 장 이론 접근법은 복합 모델의 핵심 현상학적 특징을 성공적으로 재현하였으며, 결합의 올바른 스케일링 및 공명 행동을 포함한다.