[论文解读] Exotic Implications of Electron and Photon Final States

Lisa Randall, Mark B. Wise|ArXiv.org|Jul 10, 2008

Quantum Mechanics and Applications被引用 3

一句话总结

该论文表明，若一个TeV尺度的共振态以相近的分支比衰变为 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 末态，则意味着电子与新物理存在直接耦合，从而排除了不包含电子直接相互作用的自旋-1或自旋-0模型。兰德尔-兰德拉姆的Kaluza-Klein引力子是唯一预测 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ 比值的模型，使其无需测量自旋即可被识别。

ABSTRACT

New resonances with masses of order a few ${ m TeV}$ might be discovered at the LHC. We show that no resonance that couples to electrons only through Standard Model interactions can decay to both $e^+e^-$and $γγ$ with significant branching ratios. This means that finding both electron-positron and two-photon final states is evidence that electrons couple directly to the new physics associated with the resonance and furthermore that the resonance is not spin-1. The least fine-tuned such examples involve electron compositeness. One such example, Kaluza Klein excitations of the graviton in the version of the Randall Sundrum Model where Standard Model matter is located on the ${ m TeV}$ brane, can be distinguished from other possibilities by its predicted branching fractions into the two modes.

研究动机与目标

• 确定在TeV尺度共振态中同时观测到 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 末态是否意味着电子与新物理存在直接耦合。
• 识别能够自然支持 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 分支比相近的理论模型。
• 建立一个选择规则，以区分直接耦合至电子的共振态与仅通过标准模型相互作用衰变的共振态。
• 证明兰德尔-兰德拉姆KK引力子可通过其预测的分支比比值 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ 唯一识别。
• 提供一种稳健、模型无关的方法，利用相对分支比探测大型强子对撞机上的新物理。

提出的方法

• 分析自旋-0、自旋-1和自旋-2共振态衰变为 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 末态的树图衰变振幅。
• 应用螺旋度抑制论证，表明自旋-0共振态的 $e^+e^-$ 衰变振幅与电子质量 $m_e$ 成正比，在无质量极限下趋于零。
• 使用有效场论描述KK引力子与标准模型应力张量的耦合，形式为 $\mathcal{L}_{\text{int}} = \kappa h^{\text{KK}}_{\mu\nu} T^{\mu\nu}_{\text{SM}}$。
• 利用公式 $\Gamma = \kappa^2 f M^3 / (80\pi)$ 计算衰变宽度，其中 $f$ 因子来自表1中不同末态的取值。
• 通过比较不同末态的分支比，推导出兰德尔-兰德拉姆KK引力子的预测结果 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$。
• 应用味改变过程的约束条件，除非受到规范对称性或复合性的保护，否则排除大多数模型中电子的直接耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果电子仅通过标准模型相互作用耦合至共振态，该共振态能否以显著分支比衰变为 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$？
• RQ2 哪些选择规则控制TeV尺度共振态中 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 末态的同时观测？
• RQ3 为何兰德尔-兰德拉姆KK引力子能通过其分支比比值 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$ 唯一识别？
• RQ4 电子复合性或与新物理的直接耦合如何影响 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$ 的分支比？
• RQ5 相对分支比能否作为大型强子对撞机上自旋测量的角分布的可行替代方法？

主要发现

• 若忽略电子质量，自旋-0共振态在树图层次无法以显著分支比衰变为 $e^+e^-$，这是由于螺旋度抑制效应。
• 若共振态以相近分支比衰变为 $e^+e^-$ 和 $\gamma\gamma$，则必须涉及电子与新物理的直接耦合，从而排除仅通过标准模型过程衰变的可能性。
• 唯一已知具有自然且无需微调解释的分支比相近情况是兰德尔-兰德拉姆KK引力子，其标准模型场被局域在膜上。
• RS KK引力子预测精确的分支比比值 $\text{Br}(\gamma\gamma)/\text{Br}(e^+e^-) = 2$，该结果源于表1中的 $f$ 因子。
• 该比值使得即使不进行自旋测量，也能识别RS KK引力子，提供强有力的实验信号。
• 当仅考虑标准模型末态时，分支比预测为 $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to e^+e^-) \simeq 0.022$ 和 $\text{Br}(h^{\text{KK}} \to \gamma\gamma) \simeq 0.044$。