[论文解读] Discovery potential of Kaluza-Klein gluons at hadron colliders: A Snowmass whitepaper

Kyoungchul Kong, G. B. Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文评估了在中心能量为14 TeV至100 TeV的强子对撞机上，通过通用额外维度（UED）模型探测Kaluza-Klein胶子作为二胶子共振态的发现潜力。研究发现，未来对撞机，特别是100 TeV对撞机，可探测到质量达数TeV的KK胶子，其灵敏度可延伸至标准模型强耦合常数的百分之几，具体取决于模型参数（如截断尺度和边界项）。

ABSTRACT

We investigate the discovery potential of Kaluza-Klein gluons as a dijet resonance at hadron colliders with different center-of-mass energies, from 14 TeV to 33 TeV to 100 TeV. We also present the current bounds from dijet searches at UA2, Tevatron, and LHC.

研究动机与目标

• 评估在中心能量为14 TeV、33 TeV和100 TeV的未来强子对撞机上，Kaluza-Klein胶子作为二胶子共振态的发现潜力。
• 评估UA2、Tevatron和LHC的二胶子搜寻实验结果对最小和次最小UED模型中二级KK胶子的约束。
• 探讨截断尺度 $\Lambda$、额外维度半径 $R$ 以及边界项/费米子体质量项之间的相互作用如何影响KK胶子的耦合和质量谱。
• 在不同对撞机能量和亮度下，投影 $5\sigma$ 发现范围和95%置信水平排除极限在 $R^{-1}$–$\Lambda R$ 和 $R^{-1}$–$\mu L$ 平面上的分布。
• 证明更高能量对撞机可显著提升对小耦合KK胶子的质量探测灵敏度，尤其在具有非零边界参数的NMUED模型中。

提出的方法

• 采用最小通用额外维度（MUED）和次最小UED（NMUED）模型，其中五维标准模型拉格朗日量在 $S^1/\mathbb{Z}_2$ 奥尔比特面上紧化，产生Kaluza-Klein（KK）激发态。
• 通过有效相互作用顶点计算二级KK胶子与SM夸克的树幅耦合：$g_{200} = g_{\rm SM} F^{2}_{00}(x=\mu L)$，其中 $F^{2}_{00}$ 依赖于体质量参数 $\mu L$。
• 在电弱尺度与截断尺度 $\Lambda$ 之间应用跑动的微扰论，以确定KK质量谱，质量表达式为 $m_{A_n} = \sqrt{k_n^2 + m_0^2}$，其中 $k_n$ 满足 $\cot(k_n L) = r k_n$（奇数 $n$）或 $\tan(k_n L) = -r k_n$（偶数 $n$）。
• 将色八重态矢量共振态分析（Dobrescu等人）的投影灵敏度映射至KK胶子情形，通过 $F^{2}_{00}$ 重新加权以考虑模型特异性耦合。
• 基于14 TeV、33 TeV和100 TeV对撞机上分别10 fb$^{-1}$、300 fb$^{-1}$和3 ab$^{-1}$的积分亮度，投影发现和排除极限。
• 通过改变边界参数 $r/L$ 和体质量 $\mu L$，将结果扩展至NMUED，展示这些参数如何影响耦合强度和质量范围探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MUED模型中，14 TeV、33 TeV和100 TeV强子对撞机上，二级Kaluza-Klein胶子作为二胶子共振态的投影 $5\sigma$ 发现范围为何？
• RQ2 UA2、Tevatron和LHC的当前实验限制如何约束MUED模型中 $R^{-1}$–$\Lambda R$ 参数空间？
• RQ3 在NMUED中引入边界项（$r/L$）和体费米子质量（$\mu L$）如何影响二级KK胶子的耦合强度和质量谱？
• RQ4 多胶子触发阈值在多大程度上限制了未来对撞机对轻量KK胶子（小耦合）的探测灵敏度？
• RQ5 发现潜力如何随对撞机能量和亮度变化，特别是对于耦合常数仅为SM强耦合1%的KK胶子？

主要发现

• 14 TeV LHC在3 ab$^{-1}$积分亮度下可探测 $\Lambda R \approx 10$，其探测范围超越了当前仅勉强达到 $\Lambda R \approx 20$ 的限制。
• 在MUED中，$\Lambda R \approx 10$ 以下的灵敏度曲线形状主要受小耦合 $g_{200} \sim 0.01 g_3$ 的抑制影响，导致低质量区域发现潜力下降。
• 100 TeV对撞机有潜力探测质量高达数TeV的KK胶子，尽管耦合常数较小，其质量探测范围仍显著优于低能机器。
• 在 $r/L = 0$ 的NMUED中，当前限制约束 $\mu L > -0.2$，而未来对撞机可探测至 $\mu L \approx -0.05$，对应耦合常数为SM强耦合的百分之几。
• 当 $r/L = 0.2$ 时，灵敏度曲线向更高 $R^{-1}$ 延伸并展宽，表明边界项改变了可探测参数空间，并在某些区域提升了分辨能力。
• UED模型中KK模式的重复性使得未来的共振态搜寻不仅能探测质量尺度，还能同时约束截断尺度 $\Lambda$ 和边界项参数，实现多维参数限制。