[论文解读] Direct photons as probes of low mass strings at the LHC

Luis A. Anchordoqui, Haim Goldberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文提出利用大型强子对撞机（LHC）质子-质子碰撞中直接产生的高横动量光子作为探测TeV尺度开放弦物理的探针。研究表明，通过光子与一个重子数U(1)规范玻色子的混合，可在弦能级过程中实现光子-胶子融合，即使在真实QCD背景抑制条件下，100 fb⁻¹数据下也能在5σ显著性水平下探测到高达2.3 TeV的弦质量。

ABSTRACT

The LHC program will include the identification of events with single prompt high-k_\perp photons as probes of new physics. We show that this channel is uniquely suited to search for experimental evidence of TeV-scale open string theory. At the parton level, we analyze single photon production in gluon fusion, gg o γg, with open string states propagating in intermediate channels. If the photon mixes with the gauge boson of the baryon number, which is a common feature of D-brane quivers, the amplitude appears already at the string disk level. It is completely determined by the mixing parameter (which is actually determined in the minimal theory) -- and it is otherwise model-(compactification-) independent. We discuss the string signal cross sections as well as the QCD background. The present analysis takes into account the recently obtained decay widths of first Regge recurrences, which are necessary for more precise determination of these cross sections in the resonant region. A vital part of the background discussion concerns the minimization of misidentified π^0's emerging from high-p_\perp jets. We show that even for relatively small mixing, 100 fb^-1 of LHC data could probe deviations from standard model physics associated with TeV-scale strings at a 5σsignificance, for M_{ m string} as large as 2.3 TeV. It is also likely that resonant bumps could be observed with approximately the same signal-to-noise ratio.

研究动机与目标

• 利用直接高pT光子在LHC中识别低质量开放弦态的稳健、模型无关的信号。
• 分析在弦盘（树图）层次下通过胶子融合（gg → γg）产生单个光子的过程，该过程在标准模型中被抑制，但在D-brane翘曲模型中被增强。
• 量化信号截面并将其与QCD背景（特别是来自喷注的误识别π⁰ → γγ衰变）区分开来。
• 利用第一级Regge激发态的现实衰变宽度，评估LHC对TeV尺度弦物理导致的标准模型偏离的灵敏度。
• 证明即使在小混合参数下，100 fb⁻¹的数据也能在5σ显著性水平下探测高达2.3 TeV的弦尺度物理。

提出的方法

• 研究分析了在弦盘（树图）层次下的部分子过程gg → γg，该过程在标准模型中被抑制，但在D-brane翘曲模型中可通过光子-重子数混合实现。
• 采用不依赖于紧化细节、完全由混合参数决定的模型无关弦理论振幅进行计算。
• 利用包含部分子分布函数、能量-动量守恒的δ函数以及自旋平均后的矩阵元平方的非弹性产生截面公式推导截面。
• 通过变量替换转换为快速度和快速度差，对受探测器接受度（|y| < 2.4）和横动量截断约束的物理相空间进行积分，计算不变质量分布。
• 通过引入第一级Regge激发态的最新衰变宽度，提高共振区域的计算精度。
• 通过最小化来自高pT喷注的误识别π⁰ → γγ衰变（这是主要的QCD背景）来处理背景抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC中质子-质子碰撞的直接高pT光子能否作为TeV尺度开放弦物理的独特探针？
• RQ2 gg → γg在弦盘层次下的信号截面大小如何？其与弦尺度和混合参数的关系是什么？
• RQ3 引入第一级Regge激发态的更新衰变宽度后，对信号截面预测的精度有何影响？
• RQ4 在γ + 喷注道道中，为观测弦尺度物理的信号，需要达到何种水平的背景抑制？
• RQ5 100 fb⁻¹的LHC数据能否实现对高达2.3 TeV弦质量的5σ灵敏度？

主要发现

• gg → γg在弦盘层次下的信号截面完全由光子-重子数混合参数决定，且在所有紧化下均保持模型无关。
• 利用100 fb⁻¹数据，LHC可在5σ显著性水平下探测到高达2.3 TeV的TeV尺度弦物理导致的标准模型偏离。
• 在γ + 喷注不变质量谱中，共振峰很可能是可观测的，其信噪比接近5σ灵敏度阈值。
• 引入第一级Regge激发态的更新衰变宽度可提高共振区域截面计算的精度。
• 主要的QCD背景（来自误识别的π⁰ → γγ衰变）可通过动量和角度切片最小化，从而实现清晰的信号提取。
• 该信号在弦理论中已存在于树图层次，具有鲁棒性，是低能标弦物理的独特且直接的探针。