[논문 리뷰] Unitarity Challenges to the Randall Sundrum Model

Bohdan Grza̧dkowski, John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 10.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 물질이 TeV 브레인에 존재하는 Randall-Sundrum 모형에서의 유니타리성 제약을 조사하며, 칼루사-클라인 중력보 교환으로 인해 W_LW_L 산란 진폭이 에너지에 따라 증가하여 일반적인 차원 분석 스케일 Λ_NDA 이하에서 유니타리성이 위협받는다는 것을 보여준다. 이는 무거운 힉스 보손이 더 높은 스케일에서 유니타리성을 복원할 수 있음을 시사하며, LHC 측정을 통해 KK 중력보 결합 스케일과 곡률 비율 m₀/M_Planck를 정밀하게 결정할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We show that perturbative unitarity for $W_LW_L$ scattering places significant constraints on the Randall-Sundrum theory with two 3-branes, with matter confined to the TeV brane. The exchange of massive 4D Kaluza-Klein gravitons leads to amplitudes growing linearly with the CM energy squared. Summing over KK gravitons up to a scale $\lbar$ and testing unitarity at $\sqrt s=\lbar$, one finds that unitarity is violated for $\lbar$ below the 'naive dimensional analysis' scale, $\Lambda_{NDA}$. We evaluate $\lbar$ as a function of the curvature ratio $m_0/M_{Planck}$ for the pure gravity theory. We then demonstrate that unitarity need not be violated at $\lbar$ in the presence of a heavy Higgs boson. In fact, much larger Higgs masses are consistent with unitarity than if no KK gravitons are present. Observation of the mass and width (or cross section) of one or more KK gravitons at the LHC will directly determine $m_0/M_{Planck}$ and the scale $\hat \Lambda$ specifying the couplings of matter to the KK gravitons. With this information in hand and a measurement of the Higgs boson mass, one can determine the precise scale $\lbar$ below which unitarity will remain valid.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 3-브레인과 물질이 TeV 브레인에 국한된 Randall-Sundrum 모형이 영구적인 유니타리성 제약 조건 하에서 타당한가를 평가하기 위해.
• 칼루사-클라인 중력보 교환으로 인한 W_LW_L 산란 진폭과 그 에너지 의존성의 영향을 분석하기 위해.
• 히긴스 보손이 존재하지 않을 경우 유니타리성이 위반되는 에너지 스케일 ̄Λ 를 특정하기 위해.
• 무거운 힉스 보손이 유니타리성 스케일을 어떻게 수정하고 고에너지 영역에서 이론을 안정화시키는가를 탐구하기 위해.
• 미래 LHC 측정을 통해 KK 중력보 질량과 너비를 분석하여 m₀/M_Planck 와 결합 스케일 ̂Λ 를 추출하는 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• Randall-Sundrum 모형에서 칼루사-클라인 중력보의 4차원 효과 이론의 맥락에서 W_LW_L 산란 진폭을 분석하기 위해.
• 산란 진폭의 에너지 의존성을 평가하며, 질량이 있는 KK 중력보 교환으로 인해 중심질량 에너지 제곱에 비례하여 선형적으로 증가함을 확인하기 위해.
• 절단 스케일 ̄Λ 까지의 모든 KK 중력보 상태를 합산하고, √s = ̄Λ 에서 유니타리성을 검증하여 영구적인 유니타리성이 깨지는 스케일을 특정하기 위해.
• 순수 중력 이론에서 곡률 비율 m₀/M_Planck 를 함수로 하여 ̄Λ 를 계산하기 위해.
• 유니타리성 위반 기여를 상쇄하기 위해 무거운 힉스 보손을 도입하고, 이론의 새로운 유효 스케일을 결정하기 위해.
• 미래 LHC 측정을 통해 KK 중력보 질량과 너비를 분석하여 m₀/M_Planck 와 물질 결합 스케일 ̂Λ 를 추출하는 절차를 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질이 TeV 브레인에 존재하고 힉스 보손이 없는 경우, Randall-Sundrum 모형에서 영구적인 유니타리성이 깨지는 에너지 스케일은 무엇인가?
• RQ2 칼루사-클라인 중력보 교환 존재 하에 무거운 힉스 보손이 유니타리성 스케일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 곡률 비율 m₀/M_Planck 와 유니타리성이 위반되는 스케일 ̄Λ 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 LHC에서 KK 중력보 질량과 너비를 관측함으로써 m₀/M_Planck 와 ̂Λ 를 유일하게 결정할 수 있는가?
• RQ5 KK 중력보 존재 시, 유니타리성을 유지하면서 무거운 힉스 보손의 허용 질량 범위는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 히긴스 보손이 존재하지 않을 경우, KK 중력보 교환으로 인한 선형적으로 증가하는 W_LW_L 산란 진폭으로 인해 일반적인 차원 분석 스케일 Λ_NDA 에서 유니타리성이 위반된다.
• 유니타리성이 깨지는 스케일 ̄Λ 는 순수 중력 이론에서 m₀/M_Planck 의 곡률 비율에 따라 Λ_NDA 이하로 나타난다.
• 무거운 힉스 보손이 존재할 경우, KK 중력보가 없는 경우보다 훨씬 더 높은 스케일에서 유니타리성이 복원된다.
• 표준 모형에서 추가 차원이 없는 경우에 비해, KK 중력보가 포함된 경우 더 큰 힉스 질량이 유니타리성과 일치한다.
• LHC에서 하나 이상의 KK 중력보 질량과 너비를 측정하면, m₀/M_Planck 와 결합 스케일 ̂Λ 를 직접적으로 결정할 수 있다.
• m₀/M_Planck 를 알고 있을 경우, ̂Λ 와 힉스 질량를 함께 고려하여 유니타리성이 유지되는 정확한 스케일 ̄Λ 를 결정할 수 있다.