[논문 리뷰] Discovery potential of Kaluza-Klein gluons at hadron colliders: A Snowmass whitepaper

Kyoungchul Kong, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중심질량 에너지가 14 TeV에서 100 TeV에 이르는 하드론 충돌기에서 유니버설 엑스트라 디멘션(UED) 모델을 사용하여 칼루차-클라인 글루온의 발견 잠재력을 평가한다. 향후 충돌기, 특히 100 TeV 기계는 몇 테바르 범위의 KK 글루온 질량까지 탐지 가능하며, 모델 매개변수(절단 스케일 및 경계항)에 따라 표준모형 강한 상호작용의 몇 퍼센트 수준의 결합 상수까지 감지 가능하다.

ABSTRACT

We investigate the discovery potential of Kaluza-Klein gluons as a dijet resonance at hadron colliders with different center-of-mass energies, from 14 TeV to 33 TeV to 100 TeV. We also present the current bounds from dijet searches at UA2, Tevatron, and LHC.

연구 동기 및 목표

• 미래 하드론 충돌기에서 중심질량 에너지가 14 TeV, 33 TeV, 100 TeV인 경우 칼루차-클라인 글루온의 이젯 공명으로서의 발견 잠재력을 평가하는 것.
• UA2, 테바트론, 그리고 LHC에서의 이젯 탐색 결과를 바탕으로 최소 및 다음 최소 UED 모델 내 레벨-2 KK 글루온에 대한 현재 실험적 제약 조건을 평가하는 것.
• 절단 스케일 $\Lambda$, 추가 차원의 반지름 $R$, 경계/ fermion 배치 질량 항이 KK 글루온의 결합 및 질량 스펙트럼에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 다양한 충돌기 에너지 및 루미노시티에 대해 $R^{-1}$–$\Lambda R$ 및 $R^{-1}$–$\mu L$ 평면에서 $5\sigma$ 발견 범위와 95% 신뢰수준 배제 한계를 예측하는 것.
• 높은 에너지 충돌기가 작은 결합 상수 조건에서도 질량 감지 능력을 크게 향상시키며, 비제로 경계 매개변수를 가진 NMUED 모델에서 특히 두드러진다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 최소 유니버설 엑스트라 디멘션(MUED) 및 다음 최소 UED(NMUED) 모델을 사용하며, 5차원 SM 라그랑지안을 $S^1/\mathbb{Z}_2$ 오르비폴드에 수축시켜 칼루차-클라인(KK) 모드를 생성한다.
• 나무 수준에서 레벨-2 KK 글루온과 SM 쿼크 간의 결합을 효과적 상호작용 정점 $g_{200} = g_{\rm SM} F^{2}_{00}(x=\mu L)$ 를 통해 계산하며, $F^{2}_{00}$ 는 배치 질량 매개변수 $\mu L$ 에 따라 달라진다.
• 전기약력 스케일과 절단 스케일 $\Lambda$ 사이의 양자역학적 보정 실행을 적용하여 KK 질량 스펙트럼을 결정하며, 질량은 $m_{A_n} = \sqrt{k_n^2 + m_0^2}$ 로 주어지며, 여기서 $k_n$ 은 $\cot(k_n L) = r k_n$ (홀수 $n$) 또는 $\tan(k_n L) = -r k_n$ (짝수 $n$) 를 만족한다.
• 색 어[tid] 벡터 공명 분석(Dobrescu 등)의 예상 감지 능력을 KK 글루온의 경우로 확장하며, 모델 특유의 결합을 반영하기 위해 $F^{2}_{00}$ 에 따라 재가중한다.
• 14 TeV, 33 TeV, 100 TeV 충돌기에서 10 fb$^{-1}$, 300 fb$^{-1}$, 3 ab$^{-1}$ 의 통합 루미노시티를 사용하여 발견 및 배제 한계를 예측한다.
• NMUED로 결과를 확장하기 위해 경계 매개변수 $r/L$ 과 배치 질량 $\mu L$ 을 변화시켜, 이들이 결합 강도와 질량 범위 탐색에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MUED 모델에서 14 TeV, 33 TeV, 100 TeV 하드론 충돌기에서 레벨-2 칼루차-클라인 글루온의 이젯 공명으로서의 $5\sigma$ 발견 범위는 어떻게 되는가?
• RQ2 UA2, 테바트론, 그리고 LHC에서의 현재 실험적 제약 조건이 MUED의 $R^{-1}$–$\Lambda R$ 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 NMUED에서 경계항($r/L$)과 배치 페르미온 질량($\mu L$)을 포함할 경우, 레벨-2 KK 글루온의 결합 강도와 질량 스펙트럼은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 다중제트 트리거 임계값이 가벼운 KK 글루온과 작은 결합 상수를 가진 경우 향후 충돌기의 감지 능력을 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 특히 표준모형 강한 상호작용의 1% 수준의 결합 상수를 가진 KK 글루온에 대해, 발견 잠재력은 충돌기 에너지와 루미노시티에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 14 TeV LHC에서 3 ab$^{-1}$ 의 통합 루미노시티를 가질 경우 $\Lambda R \approx 10$ 까지 탐지 가능하며, 현재 거의 $\Lambda R \approx 20$ 에 도달하지 못하는 제약 조건을 초월한다.
• MUED의 경우 $\Lambda R \approx 10$ 이하의 감지 곡선 형태는 작은 결합 상수 $g_{200} \sim 0.01 g_3$ 로 인해 저하되며, 낮은 질량에서 발견 가능성이 감소한다.
• 100 TeV 충돌기는 몇 테바르 범위의 질량을 가진 KK 글루온을 발견할 잠재력을 지니며, 작은 결합 상수 조건에서도 저에너지 기계보다 질량 탐색 범위에서 뚜렷한 우월성을 보인다.
• NMUED에서 $r/L = 0$ 인 경우 현재 제약 조건은 $\mu L > -0.2$ 를 의미하며, 향후 충돌기는 $\mu L \approx -0.05$ 까지 탐지 가능하며, 이는 표준모형 강한 상호작용의 몇 퍼센트 수준의 결합 상수에 해당한다.
• $r/L = 0.2$ 인 경우 감지 곡선은 더 높은 $R^{-1}$ 으로 이동하고 질량 방향으로 연장되며, 경계항이 가용 매개변수 공간을 변화시키고 특정 영역에서 해상도를 향상시킨다는 것을 보여준다.
• UED 모델에서 KK 모드의 반복은 향후 공명 탐색이 질량 스케일 뿐 아니라 절단 스케일 $\Lambda$ 와 경계항 매개변수까지 다차원적으로 제약을 가질 수 있음을 가능하게 하며, 다차원 제약 조건을 제공한다.