[논문 리뷰] Warped Extra Dimensional Benchmarks for Snowmass 2013

Kaustubh Agashe, Oleg Antipin외 18명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 30.

Cryospheric studies and observations참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 입자의 칼루차-클라인(KK) 진동을 비틀림이 있는 추가 차원 프레임워크에서 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 탐지하기 위한 두 가지 벤치마크 모델을 제안한다. 이는 표준모형의 계층 문제를 자연스럽게 해결한다. 발견 가능성이 매우 높으며, 특히 고광도 LHC에서 우수한 신호가 예상된다. 특히 오른쪽 히든 쿼크 또는 왼쪽 히든 쿼크가 테바르 브레인 근처에 국소화된 경우, 스핀-1 및 스핀-2 KK 입자가 토프/보텀 쿼크와 게이지/하이즈 보손으로 붕괴할 때이다.

ABSTRACT

The framework of a warped extra dimension with the Standard Model (SM) fields propagating in it is a very well-motivated extension of the SM since it can address both the Planck-weak and flavor hierarchy problems of the SM. We consider signals at the 14 and 33 TeV large hadron collider (LHC) resulting from the direct production of the new particles in this framework, i.e.,Kaluza-Klein (KK) excitations of the SM particles. We focus on spin-1 (gauge boson) and spin-2 (graviton) KK particles and their decays to top/bottom quarks (flavor-conserving) and W/Z and Higgs bosons, in particular. We propose two benchmarks for this purpose, with the right-handed (RH) or LH top quark, respectively, being localized very close to the TeV end of the extra dimension. We present some new results at the 14 TeV (with 300 fb$^-1$ and 3000 fb$^-1$) and 33 TeV LHC. We find that the prospects for discovery of these particles are quite promising, especially at the high-luminosity upgrade.

연구 동기 및 목표

• 비틀림이 있는 추가 차원 프레임워크 내에서 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 표준모형 입자의 칼루차-클라인(KK) 진동을 탐지하기 위한 구체적이고 현상학적으로 타당한 벤치마크를 제공하는 것.
• 표준모형의 플랑크-약한 계층 문제와 풍미 계층 문제를 통합된 틀을 통해 해결하는 것. 이 틀은 표준모형 필드가 5차원 비틀림이 있는 아드스 공간(AdS₅)에서 전파됨을 가정한다.
• 특히 스핀-1 및 스핀-2 KK 입자가 토프/보텀 쿼크, W/Z 보손, 하이즈 보손으로 붕괴하는 신호 채널을 특정하여, 발견에 가장 민감한 채널을 규명하는 것.
• 14 TeV 및 33 TeV LHC 에너지에서의 발견 가능성을 평가하며, 특히 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹의 고광도 조건을 중심으로 분석한다.

제안 방법

• 5차원 반데시터 공간(AdS₅)의 조각을 사용한 랜드all-Sundrum 모델을 채택하며, 4차원 효과적 질량 척도가 추가 차원의 위치에 따라 변한다.
• 하이즈 필드를 5차원 게이지 필드의 제5성분(A₅)으로 국소화함으로써 자연스럽게 테바르 브레인 근처에 위치시키며, 지수적 비틀림을 통해 약-플랑크 계층 문제를 해결한다.
• 5차원 질량 매개변수(c)를 통해 페르미온의 국소화를 구현하며, 토프 쿼크(및 그 파트너들)는 테바르 브레인 근처에 국소화되며(c ≲ 0), 경량 페르미온들은 플랑크 브레인 근처에 국소화된다(c ≳ 1/2), 이로 인해 계층적인 요카다 상수를 유도한다.
• 오른쪽 히든 쿼크가 테바르 브레인 근처에 국소화된 경우와 왼쪽 히든 쿼크가 국소화된 경우를 각각 고려하여 두 가지 다른 벤치마크를 구성한다. 이는 다양한 신호 패tern을 탐색하기 위함이다.
• 스핀-1 KK 게이지 보손과 스핀-2 중력파(그라비톤)의 붕괴 분포 및 생성 단면적을 계산하며, 주로 토프/보텀 쿼크 및 W/Z/하이즈 보손으로 붕괴하는 경우에 집중한다.
• Mₖₖ가 KK 스케일일 때, 효과적 연산자를 사용하여 하이즈 상호작용의 변화(예: htt, hWW, hγγ)와 삼중 게이지 상호작용(wwz)의 변화를 추정한다. 이는 Y₅²v²/Mₖₖ² 비례하며, 여기서 Y₅는 5차원 쿠르츠 상수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림이 있는 추가 차원 모형에서 표준모형 입자의 칼루차-클라인 진동을 위한 LHC에서 가장 유망한 신호는 무엇인가?
• RQ2 오른쪽 또는 왼쪽 히든 쿼크가 테바르 브레인 근처에 국소화될 경우, 스핀-1 및 스핀-2 KK 입자의 생성 및 붕괴 패턴은 어떻게 다를까?
• RQ3 14 TeV 및 33 TeV LHC 에너지에서 이러한 KK 상태의 발견 가능성이 어떻게 되며, 특히 고광도 조건에서 어떻게 되는가?
• RQ4 하이즈 상호작용 및 삼중 게이지 상호작용의 편차는 KK 질량에 따라 어떻게 변화하며, 현재 및 향후 LHC 정밀도 측정 범위 내에 있는가?
• RQ5 게이지-하이즈 통합과 기본적인 하이즈 스칼라 간의 차이는 KK 상태의 현상학적 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 오른쪽 히든 쿼크가 테바르 브레인 근처에 국소화된 경우, 토프 쿼크로 붕괴하는 KK 게이지 보손의 생성 단면적이 크게 증가하여, 이 벤치마크는 발견에 매우 민감하다.
• KK 질량이 몇 테바르 이상일 경우, 토프 쿼크 상호작용의 변화(δ(ht̄t))는 10% 이하로 추정되며, 광자 및 글루온으로의 하이즈 상호작용 변화(δ(hγγ, hgg)) 역시 모델의 세부 사항에 따라 O(10%) 수준이다.
• 삼중 게이지 상호작용 편차(δ(WWZ))는 Mₖₖ ≳ 몇 테바르일 경우 0.1% 이하로 추정되며, 정밀 전자약력 측정 조건과 일치한다.
• 고광도 LHC에서 KK 입자의 발견 가능성이 크게 향상되며, 통합 광도 3000 fb⁻¹ 조건에서는 토프 및 벡터 보손 최종 상태에서 강력한 신호가 예상된다.
• 페르미온 국소화가 5차원 질량 매개변수를 통해 적절히 조정될 경우, 큰 정밀도 조정이나 풍미 변화 중성 전류를 유도하지 않으며, 이는 계층 문제와 풍미 문제를 자연스럽게 해결한다.
• 바탕에 대규모 통합 이론(GUT)이 존재하는 확장 모델에서는 Z₃ 대칭에 의해 안정화된 WIMP 어두운 물질 후보가 부산물로 나타나며, 이는 끌림 있는 천체물리적 동기를 제공한다.