[论文解读] Fermion Pair Production in SO(5) x U(1) Gauge-Higgs Unification Models

Jongmin Yoon, Michael E. Peskin|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 17

一句话总结

本文在基于 $SO(5)\times U(1)$ 规范-希格斯统一的五维翘曲时空模型中，利用一种新颖的格林函数方法，对 $e^+e^-$ 碰撞中的费米子对产生截面进行了分析，以解析方式探索新物理效应。结果表明，在 250 GeV 能量下，$b\bar{b}$ 和 $t\bar{t}$ 产生截面与标准模型的偏离可被分辨，具体取决于底夸克质量生成机制，且可观测效应已在 250 GeV 的质心系能量下显现。

ABSTRACT

We compute fermion pair production cross sections in $e^+e^-$ annihilation in models of electroweak symmetry breaking in warped 5-dimensional space. Our analysis is based on a framework with no elementary scalars, only gauge bosons and fermions in the bulk. We apply a novel Green's function method to obtain an analytic understanding of the new physics effects across the parameter space. We present results for $e^+e^- o b\bar b$ and $e^+e^- o t\bar t$. The predicted effects will be visible in precision measurements. Different models of $b$ quark mass generation can be distinguished by these measurements already at 250 GeV in the center of mass.

研究动机与目标

• 研究五维翘曲时空中 $SO(5)\times U(1)$ 规范-希格斯统一的唯象学信号，特别是 $e^+e^-$ 对撞过程中的表现。
• 确定不同底夸克质量生成机制如何影响 $e^+e^-\to b\bar{b}$ 截面，并判断这些差异在 250 GeV 下是否可观测。
• 将分析扩展至顶夸克对产生过程，评估 $t\bar{t}$ 最终态中新物理效应的可探测性。
• 开发并应用一种新颖的格林函数方法，以解析方式计算该模型全参数空间中的费米子对产生截面。

提出的方法

• 采用包含体规范场和费米子、无基本希格斯粒子的五维兰德尔-斯兰德模型，具有 $SO(5)\times U(1)$ 规范对称性。
• 应用一种新颖的格林函数技术，以计算该模型中中性规范玻色子的传播子，从而实现对参数空间的解析控制。
• 通过求解满足适当边界条件（包括边界动能项效应）的五维狄拉克方程，构建物理费米子波函数。
• 通过将费米子波函数与规范玻色子传播子收缩，计算 $e^+e^-\to f\bar{f}$ 的自旋依赖截面。
• 将波函数和截面按 $s^2$ 与 $m_f^2 z_R^2$ 的幂级数展开，将 $s = \sin\theta$ 视为小的展开参数。
• 考虑多种底夸克质量生成方案——特别是 $t,b$ 夸克处于 $SO(5)$ 的五重或四重表示——并计算由此产生的截面偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $SO(5)\times U(1)$ 模型中，不同的底夸克质量生成机制如何影响 250 GeV 下的 $e^+e^-\to b\bar{b}$ 截面？
• RQ2 在 250 GeV 下，对 $e^+e^-\to b\bar{b}$ 的精密测量能否区分不同的底夸克质量生成情景？
• RQ3 该 $SO(5)\times U(1)$ 模型中，顶夸克对产生截面的预测偏离是多少？这些偏离在 500 GeV 下是否可观测？
• RQ4 五维体中顶夸克与底夸克的波函数如何影响 $e^+e^-\to f\bar{f}$ 过程的自旋结构？
• RQ5 格林函数方法在多大程度上能为模型全参数空间提供解析洞察？

主要发现

• 在 250 GeV 质心系能量下，$e^+e^-\to b\bar{b}$ 截面与标准模型的偏离是可观测的，具体取决于底夸克质量生成机制。
• 不同的底夸克质量模型——特别是 $t,b$ 夸克处于 $SO(5)$ 的五重或四重表示——在 $b\bar{b}$ 产生中导致截面模式的显著且可测量的差异。
• $t\bar{t}$ 对产生截面表现出与标准模型的显著偏离，其效应足够大，可在精密 $e^+e^-$ 对撞机实验中被发现。
• 该新颖的格林函数方法实现了对全参数空间中截面的解析计算，揭示了 $s^2$ 抑制修正的结构。
• 顶夸克波函数主要由 $t_L$ 和 $t_R$ 成分主导，其与 $\chi_t$ 的混合成分受 $\mathcal{O}(s^2)$ 抑制，可在截面计算中忽略。
• $t\bar{t}$ 截面的偏离对顶夸克质量生成机制及 $SO(5)$ 表示的选择敏感，在 500 GeV 下可预期可观测效应。