[論文レビュー] Warped Extra Dimensional Benchmarks for Snowmass 2013

Kaustubh Agashe, Oleg Antipin+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Cryospheric studies and observations参考文献 47被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、標準模型の階層問題を自然に解決する歪んだ余剰次元枠組みにおいて、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で標準模型粒子のカルツァ＝クライン（KK）励起状態を探索するための2つのベンチマークモデルを提案する。発見可能性は非常に高く、特に高出力LHCにおいて、右巻きまたは左巻きのトップクォークがTeVブレーンに局在化している場合、スピン1およびスピン2のKK粒子がトップ/ボトムクォークおよびゲージ・ヒッグスボソンに崩壊する際に顕著な信号が期待される。

ABSTRACT

The framework of a warped extra dimension with the Standard Model (SM) fields propagating in it is a very well-motivated extension of the SM since it can address both the Planck-weak and flavor hierarchy problems of the SM. We consider signals at the 14 and 33 TeV large hadron collider (LHC) resulting from the direct production of the new particles in this framework, i.e.,Kaluza-Klein (KK) excitations of the SM particles. We focus on spin-1 (gauge boson) and spin-2 (graviton) KK particles and their decays to top/bottom quarks (flavor-conserving) and W/Z and Higgs bosons, in particular. We propose two benchmarks for this purpose, with the right-handed (RH) or LH top quark, respectively, being localized very close to the TeV end of the extra dimension. We present some new results at the 14 TeV (with 300 fb$^-1$ and 3000 fb$^-1$) and 33 TeV LHC. We find that the prospects for discovery of these particles are quite promising, especially at the high-luminosity upgrade.

研究の動機と目的

• 歪んだ余剰次元枠組みにおいて、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で標準模型粒子のカルツァ＝クライン（KK）励起状態を検出するための具体的かつ物性論的に妥当なベンチマークを提供すること。
• 標準模型のプランク-弱い階層問題およびフレーバー階層問題を、4次元の有効質量スケールが余剰次元の位置に依存する5次元歪んだAdS空間に標準模型場が存在する統一的枠組みによって解決すること。
• 特にトップ/ボトムクォーク、W/Zボソン、ヒッグスボソンへの崩壊が発見に最も感受しやすいとされる特定の信号チャンネルを同定すること。
• 14 TeVおよび33 TeVのLHCエネルギーにおける発見可能性を評価し、特に300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の高出力条件を焦点とする。

提案手法

• 5次元の反de Sitter空間（AdS₅）のスライスを採用するランディンソン＝サンズモデルを採用し、4次元の有効質量スケールが余剰次元の位置に依存することを考慮する。
• ヒッグス場を5次元ゲージ場の第5成分（A₅）として定義し、自然にTeVブレーンに配置することで、指数関数的歪みによる弱い-プランク階層を生成する。
• フェルミオンの局在化を5次元質量パラメータ（c）を用いて実装し、トップクォーク（およびそのパートナ）をTeVブレーンに近接して局在化（c ≲ 0）、軽いフェルミオンをプランクブレーンに近接して局在化（c ≳ 1/2）させ、階層的なユカワカップリングを導く。
• 右巻き（RH）トップクォークがTeVブレーンに局在化する場合と左巻き（LH）トップクォークがそのように局在化する場合の2つの異なるベンチマークを構築し、異なる信号パターンを探索する。
• スピン1のKKゲージボソンおよびスピン2の重力子のブランチ比と生成断面積を計算し、特にトップ/ボトムクォークおよびW/Z/ヒッグスボソンへの崩壊に注目する。
• MₖₖがKKスケールであると仮定し、Y₅²v²/Mₖₖ²に比例する有効オペレーターを用いてヒッグスカップリング（例：htt、hWW、hγγ）および三重ゲージカップリング（WWZ）のずれを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪んだ余剰次元モデルにおける標準模型粒子のカルツァ＝クライン励起状態のLHC信号として最も有望なものは何か？
• RQ2 右巻きまたは左巻きのトップクォークがTeVブレーンに局在化している場合、スピン1およびスピン2のKK粒子の生成および崩壊パターンはどのように異なるか？
• RQ3 14 TeVおよび33 TeVのLHCエネルギー、特に300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の高出力条件下でのこれらのKK状態の発見可能性はいかほどか？
• RQ4 ヒッグスカップリングおよび三重ゲージカップリングのずれはKK質量にどのように依存し、現在および将来のLHCの精度測定範囲内に収まるか？
• RQ5 ゲージ-ヒッグス統一と基本的ヒッグススカラの両者において、KK状態の物性論的性質にどのような影響があるか？

主な発見

• 右巻きトップクォークがTeVブレーンに局在化している場合、トップクォークに崩壊するKKゲージボソンの生成断面積が顕著に増大し、このベンチマークは発見に非常に感受しやすい。
• KK質量が数TeVを超える領域では、トップクォークカップリングのずれ（δ(ht̄t)）が10%未塔と推定され、ヒッグスカップリングの光子およびグルーオンへのずれ（δ(hγγ, hgg)）もモデルの詳細に応じて10%程度のオーダーである。
• 三重ゲージカップリングのずれ（δ(WWZ)）は、Mₖₖ ≳ 数TeVの領域で0.1%未塔と推定され、精度電弱制約と整合的である。
• 高出力LHCではKK粒子の発見可能性が顕著に向上し、3000 fb⁻¹の統合出力が得られれば、トップおよびベクトルボソン最終状態で強い信号が得られると予想される。
• フェルミオンの局在化が5次元質量パラメータによって適切に調整されれば、大きな微調整やフレーバー変換中性荷重を導入することなく、階層問題およびフレーバー問題を自然に解決できる。
• バルクに統一理論（GUT）を含む拡張モデルでは、Z₃対称性によって安定化されるWIMP形式の暗黒物質候補が副次的に出現し、魅力的な宇宙論的動機づけを提供する。