[论文解读] Extra Dimensions and More

G. Landsberg|ArXiv.org|May 15, 2001

Quantum and Classical Electrodynamics被引用 5

一句话总结

本文综述了大额外维度（LED）假说，该假说认为引力在尺寸达1毫米的额外空间维度中传播，从而将有效普朗克标度降低至TeV量级，以解决标准模型中的层次问题。文章总结了来自LEP、HERA和Tevatron的实验约束，针对虚 graviton和直接graviton产生的现象，对有效普朗克标度 $M_S$ 设定了下限，范围在0.5至1.4 TeV之间，具体取决于模型和对撞机类型，迄今为止尚未发现LED的证据。

ABSTRACT

One of the most stimulating recent ideas in particle physics involves a possibility that our universe has additional compactified spatial dimensions, perhaps as large as 1 mm. In this review, we discuss the results of recent experimental searches for such large extra dimensions, as well as new developments in this field.

研究动机与目标

• 综述大额外维度（LED）理论动机，以解决标准模型中的层次问题。
• 总结来自轻子和强子对撞机精密测量的LED实验约束。
• 比较不同形式体系（GRW、HLZ、Hewett）及对撞机实验中有效普朗克标度 $M_S$ 的限制。
• 评估当前和未来对撞机对虚graviton和直接graviton产生作为LED信号的敏感度。
• 预测在升级后的Tevatron和LHC上可能的发现能力，其中 $M_S$ 最高可达10 TeV。

提出的方法

• 使用具有 $n$ 个紧致化额外维度的LED模型，以在亚毫米尺度上修改引力，将有效普朗克标度 $M_S$ 降低至TeV量级。
• 应用在 $e^+e^-$、$ep$ 和 $pp$ 碰撞中虚graviton交换的形式体系，以 $\eta_G = \mathcal{F}/M_S^4$ 参数化，其中 $\mathcal{F}$ 取决于模型（GRW、HLZ、Hewett）。
• 分析由于干涉和graviton交换项导致的 $f\bar{f}$、$\gamma\gamma$、$WW$ 和 $ZZ$ 最终态截面的修改：$\sigma = \sigma_{\rm SM} + \sigma_{\rm int}\eta_G + \sigma_G\eta_G^2$。
• 将不同合作组（ALEPH、DELPHI、L3、OPAL、H1、ZEUS、DØ、CDF）的实验限制转化为GRW、HLZ和Hewett形式体系中 $M_S$ 的约束。
• 对Tevatron中双电子和双光子不变质量分布进行联合分析，以约束虚graviton效应。
• 在不同能量区段和形式体系之间进行比较，考虑Hewett形式体系中 $\lambda$ 的符号依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大额外维度在高能对撞机实验中的现象学信号是什么？
• RQ2 不同理论形式体系（GRW、HLZ、Hewett）如何影响对有效普朗克标度 $M_S$ 实验限制的解释？
• RQ3 来自LEP、HERA和Tevatron的实验当前对不同额外维度数的 $M_S$ 有何约束？
• RQ4 在 $f\bar{f}$、$\gamma\gamma$、$WW$ 和 $ZZ$ 最终态中，虚graviton效应与直接graviton辐射的灵敏度如何比较？
• RQ5 升级后的Tevatron和LHC对大额外维度的预期灵敏度如何？是否可在LHC上探测到高达10 TeV的 $M_S$？

主要发现

• LEP实验对 $M_S$ 设定了95%置信水平（CL）的下限，范围在0.35 TeV至1.38 TeV之间，具体取决于末态和额外维度数量，其中最强限制来自ALEPH和DELPHI。
• Tevatron的DØ合作组在GRW形式体系中对 $n=2$ 设定了95% CL下限为1.21 TeV，在Hewett形式体系中（$\lambda=+1$）为0.97 TeV。
• CDF合作组报告在GRW形式体系中对 $n=2$ 的95% CL下限为0.96 TeV，在Hewett形式体系中（$\lambda=+1$）为0.76 TeV，与DØ结果一致。
• HERA实验（H1和ZEUS）在Hewett形式体系中对 $M_S$ 设定了95% CL下限，范围在0.43 TeV至0.83 TeV之间，联合限制达到0.61–0.83 TeV。
• 来自LEP、HERA和Tevatron的联合限制表明，在大多数情况下 $M_S$ 被约束在1 TeV以上，其中最严格的限制来自LEP和Tevatron。
• 本文结论认为，尽管尚未发现LED的证据，但升级后的Tevatron和尤其是LHC将能够探测高达10 TeV的 $M_S$，从而对LED假说提供决定性检验。