[论文解读] Collider Implications of Kaluza-Klein Excitations of the Electroweak Gauge Bosons

C. D. McMullen, Soumitra Nandi|ArXiv.org|Oct 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在标准模型规范 boson 传播至一个大小为 1 TeV⁻¹ 的额外维度的模型中，规范 boson 的卡鲁扎-克莱因（Kaluza-Klein, KK）激发态在对撞机中的信号。研究发现，在高能 e⁺e⁻ 对撞机中，这些 KK 态可导致 muon 对产生截面最多减少 20%，并显著增强 Higgs 粒子的产生，其特征信号与 Z′ 模型不同，原因在于其塔状能谱结构和普遍耦合特性。

ABSTRACT

It is possible for the SM fields to propagate into one or more large extra compact dimensions. Such fields have associated KK excitations that produce additional contributions to the SM processes. We calculate the effects that these KK excitations have on cross sections for $e^{+}e^{-}$ collider processes in a model in which the SM gauge bosons, and perhaps the Higgs, can propagate into one TeV$^{-1}$-size extra compact dimension. Specifically, we consider muon pair production, Bhabha scattering, dijet production, Higgs production, and single-photon production. At prospective high energy $e^{+}e^{-}$ colliders, we find significant deviations from the SM cross sections: For example, a 600 GeV collider produces a 20% reduction in the cross section for muon pair production as compared to the SM for a compactification scale of 3.5 TeV. The effect is much smaller at LEP2 energies, where the compactification scale must be lower than 2 TeV in order to produce a 6% effect.

研究动机与目标

• 分析卡鲁扎-克莱因（KK）激发态在具有一个大额外维度的模型中对电弱规范 boson 的现象学影响。
• 确定这些 KK 态如何影响 e⁺e⁻ 对撞机过程（如 muon 对产生、Bhabha 散射、二胶子喷注产生、Higgs 产生和单光子产生）的截面。
• 区分 KK 激发态与 Z′ 玻色子的对撞机信号，尤其在耦合结构和共振谱方面。
• 评估未来高能 e⁺e⁻ 对撞机对高达数 TeV 的紧化尺度的敏感度。
• 评估 KK 态通过虚交换增强 Higgs 玻色子产生的潜力。

提出的方法

• 采用一个 SM 规范 boson（以及可能的 Higgs）传播至一个额外维度的模型，该额外维度在 μ ~ TeV⁻¹ 的尺度上被紧化。
• 通过虚拟交换 KK 激发态（光子 γₙ⋆、Z 玻色子 Zₙ⋆ 和 W 玻色子 Wₙ⋆）计算 e⁺e⁻ 过程的量子修正，使用树图阶交换图。
• 应用参考文献 [4] 中的非对称紧化情景，包含一个大额外维度（R⁻¹ ~ 10⁻³ eV）和一个大小为 TeV⁻¹ 的维度（r⁻¹ ~ 1 TeV），导致统一尺度 M ~ 100 TeV。
• 将截面作为对撞机能量 √s 和紧化尺度 μ 的函数进行评估，重点关注 SM（n=0）与第一级 KK 模式（n=1）贡献之间的干涉。
• 将结果与标准模型预测进行比较，并通过分析耦合普遍性和共振间距，与 Z′-玻色子模型进行对比。
• 使用标度关系 $ M_P^2 = M^8 R r^5 $ 将四维普朗克尺度与基本尺度 M 及紧化半径联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高能对撞机中，电弱规范 boson 的卡鲁扎-克莱因激发态如何改变 e⁺e⁻ 过程的截面？
• RQ2 当 SM 规范 boson 传播至一个大小为 TeV⁻¹ 的单一额外维度时，未来 e⁺e⁻ 对撞机对紧化尺度 μ 的敏感度如何？
• RQ3 KK 激发态在 e⁺e⁻ 碰撞中能在多大程度上增强 Higgs 玻色子的产生？
• RQ4 KK 激发态的对撞机信号与 Z′ 玻色子相比有何不同，特别是在共振间距和费米子耦合方面？
• RQ5 对于紧化尺度 μ ~ 3.5 TeV 的情况，muon 对产生及其他过程中的可观测标准模型偏离程度如何？

主要发现

• 在 600 GeV 的 e⁺e⁻ 对撞机中，当紧化尺度为 3.5 TeV 时，muon 对产生截面相比标准模型减少 20%。
• 在 500 GeV 对撞机中，当最低激发的 KK 激发态质量约为 3 TeV 时，muon 对产生截面出现 20% 的减少。
• 在 1 TeV 对撞机中，紧化尺度高达 5 TeV 可导致截面出现 20% 的偏离，而高达 7 TeV 的尺度则产生 10% 的效应。
• 当紧化尺度为 3 TeV 时，muon 对产生截面相比 SM 背景减少 50%，表明具有极强的敏感性。
• 当 Higgs 粒子被限制在 3-膜上时，KK 激发态通过虚交换显著增强 Higgs 产生截面，原因在于 Wₙ⋆ 和 Zₙ⋆ 态的贡献。
• SM 与第一级 KK 模式之间的干涉主导了偏差，其效应类似于 Z′ 玻色子，但完整的共振塔结构和普遍耦合（相对于 SM 为 √2）使其与通用 Z′ 模型显著不同。