[논문 리뷰] Collider signatures for unparticle

Kingman Cheung, Wai-Yee Keung외 1명|ArXiv.org|2007. 10. 11.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비정수 스케일링 차원을 가진 가상의 규모 불변 영역인 언파르티클 물리학의 충돌기 서명을 조사한다. 주로 실제 언파르티클 방출에 의한 부족 에너지와 가상 언파르티클 교환에 의한 간섭을 중심으로 다룬다. 주요 결과로는 언파르티클 스케일링 차원 $d_{\cal U}$에 민감한 특징적인 각도 분포와 부족 에너지 스펙트럼이 도출되며, 이는 $e^+e^-$ 및 하드론 충돌기에서 검출 가능한 신호로 나타난다.

ABSTRACT

We summarize the works presented in Refs. \cite{1,2} on collider phenomenology of the unparticle physics associated with an exact scale invariant sector possessing a non-trivial infrared fixed point at a high energy scale. We give highlights on the motivations of unparticle and derivation of the phase space and the unparticle propagator. We study two categories of phenomenology: (i) real emission of unparticle that gives rise to peculiar missing energy signatures, and (ii) virtual exchange of unparticle that interferes with the standard model amplitudes.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 충돌 실험에서 언파르티클 물리학의 현상학적 의미를 탐색하는 것.
• 실제 및 가상 언파르티클 생성에 기인한 부족 에너지 및 수정된 각도 분포와 같은 고유한 서명을 식별하는 것.
• 기존의 4 Fermion 접촉 상호작용 및 단일 광자 탐지 제약 조건을 이용해 언파르티클 스케일 $\Lambda_{\cal U}$를 제약하는 것.
• 비정수 스케일링 차원 $d_{\cal U}$가 언파르티클 전파함수의 형태와 표준모형 진폭과의 간섭에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 스케일 불변성과 스펙트럼 밀도 형식을 이용해 언파르티클 전파함수를 유도하여, $\Delta_F(P^2) = Z_{d_{\cal U}} (-P^2)^{d_{\cal U}-2}$ 를 도출하며, 여기서 $Z_{d_{\cal U}} = \frac{A_{d_{\cal U}}}{2\sin(d_{\cal U}\pi)}$ 이다.
• 비재규격화 연산자를 통한 언파르티클과 SM 필드 간의 효과적 상호작용을 수립하며, $M_{\cal U}^{d_{\mathrm{SM}}+d_{\cal BZ}-4}$ 로 억제되는 연장선에서 $\mathcal{O}_{\mathrm{SM}} \mathcal{O}_{\cal U}$ 에서 $\Lambda_{\cal U}$ 에서 매칭된다.
• 실제 언파르티클 방출을 $e^+e^-$ 및 하드론 충돌기에서 분석하여, 연속적인 질량 스펙트럼으로 인해 특이한 부족 에너지 스펙트럼을 예측한다.
• 가상 언파르티클 교환에 의한 $e^+e^- \to f\bar{f}$ 및 $\gamma\gamma$ 과정을 평가하며, $d_{\cal U}$ 와 편광성에 민감한 미분 단면적을 계산한다.
• 기존의 95% 신뢰수준의 4 Fermion 접촉 상호작용 및 단일 광자 생성 제약 조건을 이용해 $\Lambda_{\cal U}$ 를 제약하며, $\lambda_1^2 / \Lambda_{\cal U}^{2d_{\cal U}-2}$ 의 스케일링 형태로 표현된다.
• $\gamma\gamma$ 생성의 각도 분포를 스핀-2 언파르티클 교환 유무에 따라 비교하여, $d_{\cal U} < 1.2$ 일 경우 중심 영역에서 강화됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 언파르티클 스케일링 차원 $d_{\cal U}$ 에 따라 $e^+e^-$ 및 하드론 충돌기에서 실질적 언파르티클 방출에 의한 부족 에너지 서명은 어떻게 다를까?
• RQ2 가상 언파르티클 교환에 의해 $e^+e^- \to f\bar{f}$ 와 $\gamma\gamma$ 과정에서 나타나는 특징적인 각도 분포는 무엇인가?
• RQ3 기존의 4 Fermion 접촉 상호작용 제약 조건을 통해 언파르티클 스케일 $\Lambda_{\cal U}$ 는 어떻게 제약할 수 있는가?
• RQ4 $\sqrt{s} = 207$ GeV 에서 단일 광자 + 언파르티클 생성의 감도는 $d_{\cal U}$ 와 $\Lambda_{\cal U}$ 에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 스핀-2 언파르티클 결합은 표준모형과 비교해 $\gamma\gamma$ 각도 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $e^+e^- \to f\bar{f}$ 의 미분 단면적에서 스핀-1 언파르티클 교환의 경우 $d_{\cal U}$ 에 매우 강하게 의존하며, 전방-후방 비대칭성은 편광성 결합에 민감하다.
• $d_{\cal U} < 1.2$ 일 경우, 스핀-2 언파르티클 교환로 인해 $e^+e^-$ 충돌에서 $|\cos\theta_\gamma| \approx 0.9$ 근처에 약한 골이 생긴다.
• $\sqrt{s} = 207$ GeV 에서 단일 광자 + 언파르티클 생성 단면적은 $\lambda_1^2 / \Lambda_{\cal U}^{2d_{\cal U}-2}$ 의 스케일링 형태를 띠며, $d_{\cal U} \to 1.4$ 에 가까워질수록 급격히 증가한다.
• 95% 신뢰수준의 $eeqq$ 접촉 상호작용 제약 조건을 이용해 $\Lambda_{\cal U}$ 의 재규모화된 제약 조건을 유도하였으며, $d_{\cal U} \approx 2$ 일 경우 $\Lambda^{95}_{LL}(eeuu) \simeq 23$ TeV 가 된다.
• $d_{\cal U} = 1.4$ 일 경우, 단일 광자 + 언파르티클 생성 단면적이 $\Lambda_{\cal U} \lesssim 1$ TeV 일 때 L3의 95% 신뢰수준 상한선(0.2 pb)을 초과한다.
• 언파르티클 전파함수는 $P^2 > 0$ 일 경우 복소수 위상 $e^{-i d_{\cal U} \pi}$ 를 가지며, 이는 표준 질량이 있는 또는 없는 입자 교환에서는 관찰되지 않는 간섭 효과를 유도한다.