[论文解读] Gravity particles from Warped Extra Dimensions, predictions for LHC

A. Carvalho Antunes De Oliveira|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 80被引用 39

一句话总结

本文利用最先进的工具，针对翘曲额外维度（WED）模型中的自旋-2 KK引力子和自旋-0 radion，更新了在LHC能量（8、13、14和100 TeV）下的现象学预测。研究比较了RS1与体（bulk）模型，提供了对强子对撞机搜索具有参考价值的基准截面和分支比，关键结果表明这些结果强烈依赖于曲率尺度$ ilde{k}$以及与标准模型粒子的模型特异性耦合。

ABSTRACT

Warped Extra Dimension scenarios are a rich playground for phenomenology of heavy resonances at LHC. The Radion and the KK-graviton are inevitable signatures of this class of models. On face of the latest LHC experimental results on the direct searches for Beyond Standard Model physics we update the phenomenological predictions for production and decay of such resonances in its main production modes. We also highlight the phenomenology results relevant to collider searches in individual channels, and provide tools for interpretation of current and future experimental analyses using two specific benchmarks as example.

研究动机与目标

• 更新并比较翘曲额外维度模型中KK引力子与radion在多个LHC运行能量下的现象学预测。
• 为二喷注、二玻色子、二轻子及与希格斯玻色子关联的末态中共振态搜索提供标准化基准。
• 量化模型参数（特别是$ \tilde{k}$与$\Lambda_R$）对产生截面和衰变分支比的影响。
• 通过标准化信号末态与模型假设，实现不同实验分析之间的公平比较。

提出的方法

• 采用在$S^1/Z_2$轨道上紧致化的五维翘曲额外维度的兰德尔-桑德鲁姆模型，标准模型场局域在TeV膜上（RS1）或在体中传播（体场景）。
• 利用从5D引力与物质耦合导出的解析公式，计算KK引力子与radion衰变至标准模型末态的宽度，包括$\Gamma(G^* \to HH)$、$\Gamma(G^* \to gg, \gamma\gamma)$、$\Gamma(G^* \to WW, ZZ)$以及$\Gamma(G^* \to t\bar{t}, f\bar{f})$。
• 应用包含完整QCD与电弱修正的蒙特卡罗模拟，计算通过胶子融合、夸克融合、光子融合及电弱关联产生的截面。
• 推导出截面与分支比相对于$ \tilde{k}$与$\Lambda_R$的标度律，实现对模型参数空间的插值。
• 通过与解析计算、其他蒙特卡罗工具及社区公开结果的交叉验证，确保结果可靠性。
• 提供一个工具包，用于实验解释，包含两个基准模型：一个用于RS1，一个用于体场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同LHC质心系能量（8、13、14、100 TeV）下，翘曲额外维度中KK引力子与radion的产生截面与衰变分支比如何变化？
• RQ2 对于这些共振态，RS1模型（标准模型场局域在TeV膜上）与体模型（标准模型场在体中传播）在现象学上存在哪些关键差异？
• RQ3 KK引力子与radion对标准模型粒子（尤其是希格斯玻色子、光子、胶子与顶夸克）的耦合，如何影响其在不同末态中的可探测性？
• RQ4 截面在多大程度上依赖于模型参数$ \tilde{k}$与$\Lambda_R$？这些标度关系是否可用于在参数空间中外推结果？
• RQ5 哪些搜索通道对这些共振态最敏感？两种基准模型的信号末态有何不同？

主要发现

• 对于固定$m_{G^*}$，KK引力子的产生截面与$ \tilde{k}^2$成正比，且在胶子融合与光子融合模式中依赖最强。
• 对于radion，截面与$(3\,\text{TeV}/\Lambda_R)^2$成正比，从而可实现$ \Lambda_R$值之间的插值。
• KK引力子衰变至$WW$、$ZZ$、$gg$与$\gamma\gamma$的分支比与$ \tilde{k}$无关，但总宽度与$ \tilde{k}^2$成正比。
• 当$m_{G^*}$较大时，$HH$衰变分支比被抑制，满足$\Gamma(G^* \to HH) \propto (1 - 4m_H^2/m_{G^*}^2)^{5/2}$，当$m_{G^*} \gg 250\,\text{GeV}$时可忽略不计。
• 在体场景中，$gg$与$\gamma\gamma$的产生截面依赖于$d_g$耦合，该耦合随$ \tilde{k}$增加而轻微抑制截面，因此需对式(B.3)进行修正。
• 体模型中光子融合截面与RS1情况的关系为$\sigma_{\text{bulk}}^{(\gamma\gamma)} \propto (d_g \tilde{k})^2 \sigma_{\text{RS1}}^{(\gamma\gamma)}$，显示出对$ \tilde{k}$的非平凡依赖。