[論文レビュー] Direct photons as probes of low mass strings at the LHC

Luis A. Anchordoqui, Haim Goldberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける陽子-陽子衝突における高横動量の直接的光子を、TeVスケールのオープンストリング物理学のプローブとして使用することを提案する。光子とバリオン数U(1)ゲージボソンの混合によって誘発されるストリングレベルの過程による光子-グルーオン融合が、100 fb⁻¹のデータにおいて検出可能な信号を生じることを示し、現実的なQCD背景抑制のもとでも、2.3 TeVまでのストリング質量に5σの有意性で感度を有することが判明した。

ABSTRACT

The LHC program will include the identification of events with single prompt high-k_\perp photons as probes of new physics. We show that this channel is uniquely suited to search for experimental evidence of TeV-scale open string theory. At the parton level, we analyze single photon production in gluon fusion, gg o γg, with open string states propagating in intermediate channels. If the photon mixes with the gauge boson of the baryon number, which is a common feature of D-brane quivers, the amplitude appears already at the string disk level. It is completely determined by the mixing parameter (which is actually determined in the minimal theory) -- and it is otherwise model-(compactification-) independent. We discuss the string signal cross sections as well as the QCD background. The present analysis takes into account the recently obtained decay widths of first Regge recurrences, which are necessary for more precise determination of these cross sections in the resonant region. A vital part of the background discussion concerns the minimization of misidentified π^0's emerging from high-p_\perp jets. We show that even for relatively small mixing, 100 fb^-1 of LHC data could probe deviations from standard model physics associated with TeV-scale strings at a 5σsignificance, for M_{ m string} as large as 2.3 TeV. It is also likely that resonant bumps could be observed with approximately the same signal-to-noise ratio.

研究の動機と目的

• 直接的高pT光子を用いて、LHCにおける低質量オープンストリング状態の強固でモデルに依存しないシグネチャーを同定すること。
• Dブレーンクワイバー模型において抑制されるが、ストリングディスクレベルでのグルーオン融合（gg → γg）による単一光子生成を分析すること。
• シグナル断面積を定量的に評価し、特にジェットからの誤識別π⁰ → γγ崩壊というQCD背景と区別すること。
• 最初のレッジ励起状態の現実的な崩壊幅を用いて、LHCがTeVスケールのストリング物理学に起因する標準模型からのずれをどの程度感度で検出できるかを評価すること。
• 100 fb⁻¹のデータで、わずかな混合パラメータのもとでも、2.3 TeVまでのストリングスケール物理学を5σの有意性でプローブできることを示すこと。

提案手法

• 本研究は、標準模型では抑制されるが、Dブレーンクワイバー模型では光子-バリオン数混合を通じて許容される、パートンレベルの過程gg → γgをストリングディスク（木）レベルで分析する。
• アムプリチュードは、コンpact化の詳細に依存しないモデルに依存しないストリング理論の振幅を用いて計算され、混合パラメータのみに依存する。
• 断面積は、パートオン分布関数、エネルギー運動量保存のデルタ関数、スピン平均化された行列要素の二乗を含む非弾性生成断面積の公式から導出される。
• 不変質量分布は、ラピディティおよびラピディティ差への変数変換を経て計算され、検出器の受容性（|y| < 2.4）および横動量カットによって制限された物理的位相空間にわたって統合される。
• 最新の最初のレッジ励起状態の崩壊幅を組み込むことで、共鳴領域における断面積予測の精度が向上する。
• 主なQCD背景は、高pTジェットからの誤識別π⁰ → γγ崩壊であるため、背景抑制は運動量および角度のカットを最小限に抑えることで行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける陽子-陽子衝突における直接的高pT光子は、TeVスケールのオープンストリング物理学を独自にプローブできるか？
• RQ2 ストリングディスクレベルでのgg → γgのシグナル断面積はどの程度で、ストリングスケールおよび混合パラメータにどのように依存するか？
• RQ3 最初のレッジ励起状態の更新された崩壊幅を組み込むと、断面積予測の精度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 γ + ジェットチャンネルにおいて、ストリングスケール物理学由来のシグナルを観測するにはどの程度の背景抑制が必要か？
• RQ5 100 fb⁻¹のLHCデータで、2.3 TeVまでのストリング質量に5σの感度を達成できるか？

主な発見

• ストリングディスクレベルでのgg → γgのシグナル断面積は、光子-バリオン数混合パラメータによって完全に決定され、コンパクト化の詳細に依存しないモデルに依存しない。
• 100 fb⁻¹のデータを用いることで、LHCは2.3 TeVまでのストリング質量において、TeVスケールのストリング物理学に起因する標準模型からのずれを5σの有意性でプローブできる。
• γ + ジェットの不変質量スペクトルにおける共鳴バンプは、5σの感度閾値と同等の信号対雑音比で観測可能である可能性が高い。
• 最初のレッジ励起状態の更新された崩壊幅を組み込むことで、共鳴領域における断面積計算の精度が向上する。
• 主なQCD背景は誤識別π⁰ → γγ崩壊であり、運動量および角度のカットを用いることで最小限に抑えられ、クリアなシグナル抽出が可能になる。
• シグナルは木レベルのストリング理論で既に生じるため、低スケールのストリング物理学を独自かつ直接的にプローブする強力な手段である。