[论文解读] Dips at Colliders

Y. Bai, Wai-Yee Keung|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用 10

一句话总结

本文研究了对撞机中作为截面内'凹陷'出现的新物理信号，提出了两种不同的机制：s通道交换中的破坏性干涉，以及类时动量下顶点形式因子的零点。研究显示，尽管由于复极点的存在，朴素的壳上约束失效，但这些干涉效应可产生可观测的凹陷，为大型强子对撞机（LHC）提供了新的搜索通道。

ABSTRACT

We categorize new physics signatures that manifest themselves as a “dip” structure at colliders. One potential way to realize a dip is to require interactions to be zero when all particles are mass onshell, but not if one or more are mass off-shell. For three particle interactions, we have found three interesting cases: one massive gauge boson with two identical scalars; one massless gauge boson with two different scalars; one massive gauge boson with two identical massless gauge bosons. For each case, we identify the relevant effective operators to explore its dip signature at the LHC. Unfortunately, the unstable particle with a vanishing mass-on-shell interaction has a complex mass which is coincident with the complex pole in its propagator. As a result, a contact-like amplitude without a dip is produced. We then point out two other interesting ways that generate a dip in the cross section. The first way has a dip signature due to a zero in the vertex form factor of the timelike momentum in the s-channel. In the second way, the dip plus bump signature appears because there is destructive interference among processes of exchanging different s-channel particles.

研究动机与目标

• 识别并分类在对撞机中表现为截面凹陷的新物理信号。
• 探讨特定粒子构型下壳上振幅消失如何导致凹陷状结构的机制。
• 解决复极点与传播子极点重合导致朴素壳上模型中凹陷信号被破坏的问题。
• 提出替代机制——s通道中顶点形式因子的零点以及s通道交换之间的破坏性干涉——以生成稳健的凹陷信号。
• 识别可用于在LHC探测这些凹陷信号的有效算符。

提出的方法

• 分析三体相互作用，其中当所有粒子均处于壳上时振幅为零，但当粒子离壳时则不为零，利用有效场论来建模此类相互作用。
• 研究传播子和顶点函数的解析结构，特别关注复极点及其对振幅行为的影响。
• 识别出壳上振幅为零会导致由于复极点重合而产生类似接触项的振幅，从而破坏凹陷信号。
• 提出一种替代机制：在s通道中类时动量下顶点形式因子出现零点，可在截面中产生凹陷。
• 分析涉及多个s通道交换的过程，其中破坏性干涉导致截面呈现凹陷加凸起的结构。
• 推导与每种凹陷生成机制相关的有效算符，以实现LHC中的直接实验搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三体相互作用中，当所有粒子均处于壳上时振幅为零，是否可能产生截面中的凹陷？若可能，其条件是什么？
• RQ2 为何朴素的壳上约束机制会因复极点与传播子极点重合而无法产生凹陷？
• RQ3 s通道中类时动量下顶点形式因子的零点是否可导致凹陷信号的出现？
• RQ4 不同s通道交换之间的破坏性干涉是否可在截面中产生凹陷加凸起的结构？
• RQ5 在LHC中探测这些凹陷信号时，哪些有效场论算符是相关的？

主要发现

• 朴素机制（即要求所有粒子处于壳上时振幅为零）无法产生凹陷，因为不稳定粒子的复质量与传播子中的复极点重合，导致产生无凹陷的接触项振幅。
• 可通过s通道中类时动量下顶点形式因子的零点生成凹陷，为凹陷信号提供一种可行的替代机制。
• 不同s通道交换过程之间的破坏性干涉可在截面中产生凹陷加凸起的结构，提供一种稳健且可观测的凹陷信号。
• 已识别出与每种凹陷生成机制相关的有效算符，使LHC中的直接实验搜索成为可能。
• 研究表明，尽管壳上约束因解析结构而失效，但干涉和形式因子零点仍可为观测凹陷信号提供可行路径。
• 这些机制为寻找对撞机中超越传统共振或阈值信号的新物理开辟了新途径。