[논문 리뷰] Simplified Models for New Physics in Vector Boson Scattering - Input for Snowmass 2013

Jürgen Reuter, Wolfgang Kilian외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 상호작용 부문에 새로운 물리학을 단순화된 모델로 제안하며, 스핀 0, 1, 2의 공명체를 전자약력 부문에 결합시켜 양자역학적 단위성을 유지하는 단위화된 효과적 장 이론 프레임워크를 사용한다. 이는 향후 실험에서의 탐지 가능성의 최고 수준을 제공하며, 1 테라볼트 ILC에서 최대 5.84 테라볼트의 감도를 예측하고, 14 테라볼트 LHC에서 300 피코바른⁻¹의 루미노사티와 함께 0.5–2 테라볼트의 감도를 제공한다.

ABSTRACT

In this contribution to the Snowmass process 2013 (which is a preliminary version of [1]) we give a brief review of how new physics could enter in the electroweak (EW) sector of the Standard Model (SM). This new physics, if it is directly accessible at low energies, can be parameterized by explicit resonances having certain quantum numbers. The extreme case is the decoupling limit where those resonances are very heavy and leave only traces in the form of deviations in the SM couplings. Translations are given into higher-dimensional operators leading to such deviations. As long as such resonances are introduced without a UV-complete theory behind it, these models suffer from unitarity violation of perturbative scattering amplitudes. We show explicitly how theoretically sane descriptions could be achieved by using a unitarization prescription that allows a correct description of such a resonance without specifying a UV-complete model.

연구 동기 및 목표

• 전기약력 부문에서의 새로운 물리학을 특정 UV 완전 이론에 종속되지 않는 방식으로 모델링하는 것.
• 새로운 공명체를 포함하는 효과적 장 이론에서 파erturbative 단위성의 붕괴 문제를 해결하기 위해 단위화 규정을 도입하는 것.
• UV 완전 이론을 요구하지 않고도 이중보손, 삼중보손 및 벡터 보손 산란 데이터를 공명 결합에 따라 해석할 수 있는 프레임워크를 제공하는 것.
• 이상한 4차 가우지 상호작용 상수와 그 공명 모델로의 재해석을 바탕으로 향후 실험(1 테라볼트 ILC, 14 테라볼트 LHC)에서 새로운 공명체의 탐지 가능성 수준을 정량화하는 것.

제안 방법

• 전자약력의 카이랄 라그랑지안을 기반으로 하는 효과적 라그랑지안을 구성하고, 125 기로볼트 힉스 보손과 고차원 연산자를 포함하도록 확장한다.
• 스핀, 이소스핀을 정의한 명시적 공명체(스칼라, 벡터, 텐서)를 도입하여 전자약력 게이지 보손과 힉스 보손에 결합한다.
• 나무단계 산란 진폭에 수정 항목을 추가함으로써 UV 완전 모델을 특정하지 않고도 단위성을 복원하는 단위화 규정을 적용한다.
• WHIZARD 이벤트 생성기를 사용하여 단위화된 진폭을 구현하고 콘서트론 물리학에 적용한다.
• 이상한 4차 가우지 상호작용 상수에 대한 제약 조건을 단순화된 모델 프레임워크 내에서 공명체의 감도 한계로 재해석한다.
• 1 ab⁻¹ 및 300 fb⁻¹의 예상 루미노사티를 바탕으로 1 테라볼트 ILC와 14 테라볼트 LHC의 다양한 에너지 수준과 공명체 스핀(0, 1, 2)에 대해 감도 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 새로운 물리학을 특정 UV 완전 이론에 종속되지 않는 방식으로 전기약력 부문에서 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 새로운 공명체를 포함하는 효과적 장 이론에서 단위성 위반이 초래하는 영향은 무엇이며, 이를 물리학적으로 타당한 방식으로 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ3 스핀(0, 1, 2)과 콘서트론 에너지(ILC, LHC)에 따라 새로운 공명체의 탐지 감도는 어떻게 달라지는가?
• RQ4 이상한 4차 가우지 상호작용 상수에 대한 제약 조건은 얼마나 정밀하게 새로운 공명체 질량과 결합 상수의 한계로 재해석될 수 있는가?
• RQ5 1 테라볼트 ILC와 14 테라볼트 LHC는 벡터 보손 산란에서 새로운 공명체에 대해 어떤 정도의 비교적 탐지 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• 텐서 공명체가 가장 높은 탐지 가능성 수준을 제공하며, 1 테라볼트 ILC에서 최대 5.84 테라볼트의 감도를 예측한다.
• 1 테라볼트 ILC에서 1 ab⁻¹의 루미노사티 조건에서, 이상한 4차 상호작용 상수 α₄와 α₅에 대한 1σ 감도는 각각 0.0088과 0.0071이다.
• 14 테라볼트 LHC에서 300 fb⁻¹의 루미노사티 조건에서, 새로운 공명체의 예상 탐지 가능성은 스칼라의 경우 0.5 테라볼트에서 텐서의 경우 2 테라볼트까지 다양하다.
• 단위화 규정은 UV 완전 모델을 요구하지 않고도 새로운 공명체를 포함하는 진폭에서 파erturbative 단위성을 성공적으로 복원한다.
• 중간 스핀 상태의 수가 많을수록 새로운 물리학에 대한 감도가 증가하며, 이는 스칼라나 벡터보다 텐서 공명체를 우선시한다.
• 벡터 보손 산란에서 컷 기반 분석과 다변량 분석 중 어느 것이 더 높은 감도를 제공하는지 규명하기 위해 더 깊이 있는 연구가 필요하다.