[论文解读] Cosmological and Astrophysical Constraints on Tensor Unparticles

Ian Lewis|ArXiv.org|Oct 23, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文通过计算中微子-反中微子和光子-光子湮灭产生的原初密度，以及电子-正电子和光子-光子湮灭导致的超新星能量损失率，推导出张量未粒子在宇宙学和天体物理学方面的约束。研究发现，对于对撞机现象学而言，耦合常数必须比以往假设的至少小一个数量级，当 $\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV 时，$d_{\mathcal{U}} = 4/3$ 对应 $\kappa < 4.3 \times 10^{-5}$，$d_{\mathcal{U}} = 2$ 对应 $\kappa < 1.0 \times 10^{-1}$。

ABSTRACT

We calculate cosmological and astrophysical bounds on the couplings between standard model fields and tensor unparticles. The present day density of tensor unparticles from neutrino-neutrino and photon-photon annihilation is calculated. Also, the supernovae volume energy loss rates from electron-positron and photon-photon annihilation to tensor unparticles are calculated. The constraints from matter density and supernovae volume energy loss rates from photon-photon annihilation are on the same order of magnitude, while the bounds from supernovae volume energy loss rates from electron-positron annihilation are an order of magnitude lower. We find the couplings between standard model fields and tensor unparticles are at least an order of magnitude lower than those used for previous studies of tensor unparticle collider phenomenology.

研究动机与目标

• 推导张量未粒子与标准模型场之间耦合的宇宙学和天体物理学约束。
• 计算早期宇宙中通过中微子-反中微子和光子-光子湮灭过程产生的现今张量未粒子密度。
• 计算通过电子-正电子和光子-光子湮灭产生张量未粒子的超新星体积能量损失率。
• 将这些约束与第五种力实验和超新星观测结果的现有约束进行比较。
• 基于推导出的耦合极限，重新评估未来对撞机实验中张量未粒子信号的可行性。

提出的方法

• 通过在 $\Delta \to 0$ 极限下使用标量场 $\lambda^{\mu\nu}_j$ 的连续质量谱，对未粒子进行构造方法处理。
• 利用热场论和谱密度函数，计算 $\nu\bar{\nu}$ 和 $\gamma\gamma$ 湮灭产生的张量未粒子原初密度。
• 应用相空间和矩阵元技术，计算通过 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 湮灭产生张量未粒子的超新星能量损失率。
• 将来自 SN1987A 的能量损失率观测约束和来自宇宙物质密度的未粒子丰度约束相结合，以限制耦合常数。
• 使用有效拉格朗日量 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \kappa_{\gamma}/\Lambda^{d_{\mathcal{U}}}_{\mathcal{U}} F_{\mu\nu}F^{\mu\nu} O^{\mu\nu}_{\mathcal{U}}$ 和 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \kappa_f/\Lambda^{d_{\mathcal{U}}}_{\mathcal{U}} \bar{\psi}_f \gamma^{(\mu} \stackrel{\leftrightarrow}{D}^{\nu)} \psi_f O_{\mathcal{U}}^{\mu\nu}$ 描述相互作用。
• 假设 $\kappa_{\gamma} = \kappa_{\nu} = \kappa$ 且 $\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV，以推导不同 $d_{\mathcal{U}}$ 值下的数值约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过早期宇宙中 $\nu\bar{\nu}$ 和 $\gamma\gamma$ 湮灭产生的现今张量未粒子原初密度是多少？
• RQ2 通过电子-正电子和光子-光子湮灭产生张量未粒子的超新星能量损失率如何约束其耦合常数？
• RQ3 这些宇宙学和天体物理学约束与第五种力实验和矢量未粒子研究的现有约束相比如何？
• RQ4 这些约束对大型强子对撞机和未来 e+e− 对撞机中张量未粒子对撞机现象学有何影响？
• RQ5 耦合常数的限制如何依赖于未粒子的标度维数 $d_{\mathcal{U}}$？

主要发现

• 通过 $\nu\bar{\nu}$ 和 $\gamma\gamma$ 湮灭产生的现今张量未粒子密度对耦合常数和共形尺度 $\Lambda_{\mathcal{U}}$ 提供了约束。
• 通过 $e^+e^-$ 湮灭产生张量未粒子的超新星能量损失率对 $\kappa_e$ 的约束比通过 $\gamma\gamma$ 湮灭的弱一个数量级。
• 当 $\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV 且耦合常数相等时，最严格的约束为 $d_{\mathcal{U}} = 4/3$ 时 $\kappa < 4.3 \times 10^{-5}$，$d_{\mathcal{U}} = 2$ 时 $\kappa < 1.0 \times 10^{-1}$。
• 这些耦合常数约束比以往对撞机现象学研究中使用的值至少小一个数量级（$d_{\mathcal{U}} = 4/3$ 时），在 $d_{\mathcal{U}} = 2$ 时小五个数量级。
• 在 $d_{\mathcal{U}} = 4/3$ 和 $5/3$ 时，这些约束与标量未粒子的超新星能量损失约束处于同一数量级，但比标量未粒子的第五种力约束弱；在 $d_{\mathcal{U}} = 2$ 时则相当接近。
• 结果表明，未来对撞机中张量未粒子的信号显著被抑制，使其比以往预期更难探测。