[論文レビュー] Physics of the radion in the Randall-Sundrum scenario

Graham D. Kribs|ArXiv.org|Oct 17, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ランダール＝サンダー・モデルにおける余剰次元の大きさの揺らぎを媒介するスカラー場、ラディオンの性質を調査している。ラディオンの質量はテルアール（TeV）スケールにあり、エネルギー運動量テンソルのトレースへの結合定数は約1/TeVのオーダーである。ラディオンはヒッグス粒子と混合する可能性があり、これにより電弱精度観測量の修正や、特に混合が強い場合に顕著な生産・崩壊断面積の変化といった顕著な物性的効果が生じる。

ABSTRACT

In the Randall-Sundrum solution to the hierarchy problem, the fluctuations of the size of the extra dimension are characterized by a single scalar field, called the radion. The radion is expected to have a mass somewhat lower than the TeV scale with couplings of order 1/TeV to the trace of the energy momentum tensor. In addition, the radion can mix with the Higgs boson. Implications for phenomenology are briefly reviewed.

研究の動機と目的

• 安定化されたランダール＝サンダー・モデルにおける余剰次元の励起状態としてのラディオンの物理的性質を理解すること。
• ボリューム内スカラー場による安定化の下で、余剰次元が安定化された状況におけるラディオンの質量と結合定数を特定すること。
• 電弱精度観測量および散乱断面積に及ぼすラディオン＝ヒッグス混合の影響を分析すること。
• 加速器におけるラディオンの物性的シグネチャー、特に生産および崩壊チャネルを評価すること。

提案手法

• メトリックの摂動的揺らぎと安定化をもたらすボリューム内スカラー場のバックレアクションを用いて、ラディオン質量を計算する。
• 5次元アクションを$g_{55}$メトリック成分で変分することで、標準模型（SM）エネルギー運動量テンソルのトレースへのラディオン結合を導出する。
• ハドロンおよび$e^+e^-$衝突型加速器におけるラディオン生産を評価し、結合係数$\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$を介して、SMヒッグス粒子の断面積と関連付ける。
• ラディオン崩壊モードを分析し、$m_r \gtrsim 12m_b$のとき、トレース異常を介した$ r \to gg $が支配的であることに注目する。高エネルギー領域では$ r \to W^+W^- $, $ZZ$, $hh $が支配的となる。
• 4次元有効理論におけるラディオンとヒッグス場の間の次元なし混合項$S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^†H$を組み込む。
• ラディオン＝ヒッグス混合が電弱観測量（S, Tパラメータ）およびゲージボソン散乱断面積に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定化されたランダール＝サンダー・モデルにおけるラディオンの質量は何か？また、安定化機構にどのように依存するか？
• RQ2 ラディオンの標準模型（SM）場への結合定数はヒッグス粒子のそれとどのように比較できるか？また、支配的な生産および崩壊チャネルは何か？
• RQ3 ラディオン＝ヒッグス混合が電弱精度観測量に与える物性的影響は何か？
• RQ4 トレース異常はラディオンのグルーオンへの結合にどのように影響し、加速器での生産にどのような役割を果たすか？
• RQ5 4次元カットオフスケールに達する前に、顕著なラディオン＝ヒッグス混合がゲージボソン散乱における強いダイナミクスを引き起こすことは可能か？

主な発見

• ラディオン質量は$\mathcal{O}(10\;\text{GeV}) \lesssim m_r \lesssim \Lambda$の範囲にあり、下限は量子補正に起因し、上限は4次元カットオフに由来する。
• ラディオンはSMエネルギー運動量テンソルのトレースに$\sim 1/\Lambda$の強さで結合し、ヒッグス粒子と比較して$\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$の要因により抑制された結合を示す。
• ハドロン加速器における支配的生産は、グルーオンへのループ誘導結合を介し、QCDの$\beta$関数によって強化され、断面積は$\sigma(e^+e^- \to Zr) = \gamma^2 \sigma(e^+e^- \to Zh)$の関係でヒッグス生産断面積と関連づけられる。
• $12m_b \lesssim m_r \lesssim 2M_W$の範囲では、トレース異常を介した$ r \to gg $が支配的である。$m_r$が低い場合には$ r \to b\bar{b} $も顕著であり、高エネルギー領域では$W^+W^-$, $ZZ$, $hh$が支配的となる。
• 演算子$S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^\dagger H$を介したラディオン＝ヒッグス混合は、SおよびTパラメータに顕著なずれを引き起こす可能性があり、$\xi$が中程度で負の値であれば、両粒子が$\gtrsim 300\;\text{GeV}$の質量を持つ場合でも許容される。
• 顕著なラディオン＝ヒッグス混合がある場合、4次元カットオフ$\Lambda$未満のエネルギー領域で$WW$散乱における強いダイナミクスが現れ、摂動論的有効性の破綻を示唆する。