[论文解读] Collider signatures for unparticle

Kingman Cheung, Wai-Yee Keung+1 more|ArXiv.org|Oct 11, 2007

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 6

一句话总结

本文研究了未粒子物理的对撞机信号，这是一种假设的标度不变性领域，具有非整数的标度维数，重点分析了真实未粒子发射导致的缺失能量以及虚未粒子交换引起的干涉效应。主要结果表明，角分布和缺失能量谱对未粒子标度维数 $d_{\cal U}$ 敏感，可在 $e^+e^-$ 和强子对撞机中产生可观测信号。

ABSTRACT

We summarize the works presented in Refs. \cite{1,2} on collider phenomenology of the unparticle physics associated with an exact scale invariant sector possessing a non-trivial infrared fixed point at a high energy scale. We give highlights on the motivations of unparticle and derivation of the phase space and the unparticle propagator. We study two categories of phenomenology: (i) real emission of unparticle that gives rise to peculiar missing energy signatures, and (ii) virtual exchange of unparticle that interferes with the standard model amplitudes.

研究动机与目标

• 研究未粒子物理在高能对撞机实验中的现象学影响。
• 识别由真实和虚未粒子产生引起的独特信号，如缺失能量和修正的角分布。
• 利用现有 4-费米子接触相互作用和单光子搜寻的限制，约束未粒子尺度 $\Lambda_{\cal U}$。
• 研究非整数标度维数 $d_{\cal U}$ 在塑造未粒子传播子及其与标准模型振幅干涉效应中的作用。

提出的方法

• 利用标度不变性和谱密度形式，推导出未粒子传播子，得到 $\Delta_F(P^2) = Z_{d_{\cal U}} (-P^2)^{d_{\cal U}-2}$，其中 $Z_{d_{\cal U}} = \frac{A_{d_{\cal U}}}{2\sin(d_{\cal U}\pi)}$。
• 通过非重正化算符，构建未粒子与 SM 场之间的有效相互作用，抑制因子为 $M_{\cal U}^{d_{\mathrm{SM}}+d_{\cal BZ}-4}$，在 $\Lambda_{\cal U}$ 处匹配至 $\mathcal{O}_{\mathrm{SM}} \mathcal{O}_{\cal U}$。
• 分析 $e^+e^-$ 和强子对撞机中未粒子的真实发射，预测由于连续质量谱导致的特殊缺失能量谱。
• 评估 $e^+e^- \to f\bar{f}$ 和 $\gamma\gamma$ 过程中虚未粒子交换的影响，计算对 $d_{\cal U}$ 和手征性敏感的微分截面。
• 利用现有 95% 置信水平下对 4-费米子接触相互作用和单光子产生的限制，约束 $\Lambda_{\cal U}$，其标度关系为 $\lambda_1^2 / \Lambda_{\cal U}^{2d_{\cal U}-2}$。
• 比较存在与不存在自旋-2 未粒子交换时 $\gamma\gamma$ 产生过程的角分布，发现当 $d_{\cal U} < 1.2$ 时，中心区域出现增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $e^+e^-$ 和强子对撞机中，真实未粒子发射的缺失能量信号如何随标度维数 $d_{\cal U}$ 变化？
• RQ2 虚未粒子交换在 $e^+e^- \to f\bar{f}$ 和 $\gamma\gamma$ 过程中产生哪些独特的角分布？
• RQ3 现有对 4-费米子接触相互作用的限制如何约束未粒子尺度 $\Lambda_{\cal U}$？
• RQ4 在 $\sqrt{s} = 207$ GeV 下，单光子加未粒子产生的信号对 $d_{\cal U}$ 和 $\Lambda_{\cal U}$ 的敏感度如何？
• RQ5 自旋-2 未粒子耦合如何改变 $\gamma\gamma$ 角分布，与标准模型相比？

主要发现

• 自旋-1 未粒子交换的 $e^+e^- \to f\bar{f}$ 微分截面强烈依赖于 $d_{\cal U}$，正向-反向不对称性对手征耦合敏感。
• 当 $d_{\cal U} < 1.2$ 时，由于自旋-2 未粒子交换，$e^+e^-$ 碰撞中 $\gamma\gamma$ 的角分布会在 $|\cos\theta_\gamma| \approx 0.9$ 附近出现凹陷。
• 在 $\sqrt{s} = 207$ GeV 下，单光子加未粒子产生的截面标度为 $\lambda_1^2 / \Lambda_{\cal U}^{2d_{\cal U}-2}$，当 $d_{\cal U} \to 1.4$ 时迅速上升。
• 利用 95% 置信水平下对 $eeqq$ 接触相互作用的限制，本文推导出 $\Lambda_{\cal U}$ 的重标度约束，当 $d_{\cal U} \approx 2$ 时，$\Lambda^{95}_{LL}(eeuu) \simeq 23$ TeV。
• 当 $d_{\cal U} = 1.4$ 时，单光子加未粒子产生的截面在 $\Lambda_{\cal U} \lesssim 1$ TeV 时超过 L3 实验 95% 置信水平上限（0.2 pb）。
• 未粒子传播子在 $P^2 > 0$ 时表现出复相位 $e^{-i d_{\cal U} \pi}$，导致标准模型中质量本征态或无质量粒子交换所不具备的干涉效应。