[论文解读] Contrasting Supersymmetry and Universal Extra Dimensions at the CLIC Multi-TeV e+e- Collider

M. Battaglia, Datta, AseshKrishna+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文在CLIC e⁺e⁻对撞机上比较了通用额外维度（UED）与规范对称性（SUSY），表明末态μ子的角分布、辐射重整化光子谱以及阈值扫描可明确区分两种模型。在1 ab⁻¹亮度下，质量测量精度达到亚0.1%，且UED中来自初态辐射的光子峰具有独特性，SUSY中不存在此特征。

ABSTRACT

Universal extra dimensions and supersymmetry have rather similar experimental signatures at hadron colliders. The proper interpretation of an LHC discovery in either case may therefore require further data from a lepton collider. In this paper we identify methods for discriminating between the two scenarios at the linear collider. We study the processes of Kaluza-Klein muon pair production in universal extra dimensions in parallel to smuon pair production in supersymmetry, accounting for the effects of detector resolution, beam-beam interactions and accelerator induced backgrounds. We find that the angular distributions of the final state muons, the energy spectrum of the radiative return photon and the total cross-section measurement are powerful discriminators between the two models. Accurate determination of the particle masses can be obtained both by a study of the momentum spectrum of the final state leptons and by a scan of the particle pair production thresholds. We also calculate the production rates of various Kaluza-Klein particles and discuss the associated signatures.

研究动机与目标

• 在类似CLIC的多TeV e⁺e⁻对撞机上，识别能够明确区分通用额外维度（UED）与规范对称性（SUSY）的稳健实验信号。
• 评估利用动量分布与阈值扫描在UED与SUSY情景下实现高精度粒子质量测量的可行性。
• 评估探测器效应（如束流辐射、能量分辨率与探测器接受度）对区分能力的影响。
• 探索UED中独特的辐射重整化信号，特别是由于Z₂共振导致的初态辐射光子能量中出现的尖锐峰，作为与SUSY的显著区分特征。
• 比较UED与SUSY中Kaluza-Klein粒子的产额与末态信号，重点关注μ子与电子对的产生。

提出的方法

• 比较UED（通过KK数违反顶点）与SUSY（通过s通道Z/γ交换）中μ子对产生过程的主导费曼图。
• 模拟末态动量学，包括初态辐射（ISR）、束流辐射、探测器分辨率与接受度截断。
• 利用末态μ子的角分布（dσ/dcosθ）区分SUSY中的自旋1/2超对称伙伴与UED中的自旋1/2 KK伙伴。
• 分析辐射重整化光子能量谱，识别UED中由于Z₂共振导致的特征性尖锐峰，该特征在SUSY中不存在。
• 采用阈值扫描策略：测量总截面随质心系能量的变化，以高精度确定共振质量。
• 通过动量谱分析与两种模型的理论预测对比，交叉验证质量测量结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CLIC上，末态μ子的角分布能否区分SUSY中的自旋1/2超对称伙伴与UED中的自旋1/2 KK伙伴？
• RQ2 UED的辐射重整化光子谱是否因Z₂共振而表现出独特的、可分辨的尖峰，而SUSY中则无此特征？
• RQ3 在CLIC上，阈值扫描在多大程度上可实现对UED与SUSY模型中新粒子质量的精确测定？
• RQ4 束流辐射、探测器分辨率与接受度在多大程度上影响CLIC上UED与SUSY的区分能力？
• RQ5 UED中一级与二级KK粒子的相对产额如何？与SUSY中的对应粒子相比有何差异？

主要发现

• 末态μ子的角分布具有强区分能力：UED由于向量型耦合呈现更平坦的分布，而SUSY因手征耦合表现出前后向不对称性。
• UED的辐射重整化光子谱在高光子能量处呈现尖锐峰，源于Z₂共振，该特征在SUSY中完全缺失，可实现无歧义识别。
• 在1 ab⁻¹积分亮度下，通过阈值扫描与动量谱分析，KK μ子（μ₁）的质量可实现优于0.1%的测量精度。
• 在阈值处测量总截面可作为新粒子自旋与量子数的稳健交叉验证，确认模型假设。
• 在相似质量尺度下，UED中一级KK轻子与夸克的产额与SUSY相当，但更高阶KK模式因动力学抑制而难以分辨。
• UED中Z₂共振导致初态辐射光子谱中出现独特且可分辨的峰，即使在包含探测器模拟后，仍可在Eγ > 10 GeV且1° < θγ < 179°条件下可观测到。