[论文解读] Lorentz-symmetry violation in the electroweak sector: scattering processes in future $e^+ \, e^-$ colliders

Philipe De Fabritiis, P. C. Malta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2021

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 100被引用 1

一句话总结

本文通过引入两个洛伦兹对称性破坏（LSV）四维向量 ρ 和 ξ，并将其统一为 ρ = ξ，研究了电弱规范体系中 CPT 奇、非最小的洛伦兹对称性破坏（LSV）耦合。利用未来 TeV 能标 e⁺e⁻ 对撞机上 e⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ 和 γγ → W⁺W⁻ 的树图截面计算，本研究对 LSV 四维向量的时间分量投影设定了 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹ 的上限，该结果与先前约束一致，并凸显了未来对撞机对洛伦兹对称性破坏的高灵敏度。

ABSTRACT

We study CPT-odd non-minimal Lorentz-symmetry violating couplings in the electroweak sector modifying the interactions between leptons, gauge mediators and the Higgs boson. The tree-level (differential) cross sections for three important electroweak processes are discussed: $e^+ \, e^- ightarrow Z \, H$, $e^+ \, e^- ightarrow Z \, Z$ and $\gamma \, \gamma ightarrow W^+ \, W^-$. By considering next-generation $e^+ \, e^-$ colliders reaching center-of-mass energies at the TeV scale and the estimated improved precision for the measurements of the respective cross sections, we are able to project upper bounds on the purely time-like background 4-vector as strict as $\lesssim 10^{-5} \, \mbox{GeV}^{-1}$, in agreement with previous work on similar Lorentz-violating couplings.

研究动机与目标

• 研究电弱规范体系中 CPT 奇、非最小洛伦兹对称性破坏（LSV）耦合的唯象学效应。
• 通过在 SU(2)ₗ 和 U(1)ᵧ 规范体系中引入两个独立的 LSV 四维向量（ρ 和 ξ），并将其统一为 ρ = ξ，扩展先前的 LSV 研究。
• 通过关键电弱过程的精密测量，评估下一代 e⁺e⁻ 对撞机对这些 LSV 效应的敏感度。
• 利用树图截面修正，对 LSV 四维向量的时间分量投影进行上限投影。
• 评估未来对撞机在 TeV 能标下探测洛伦兹对称性破坏的潜力，超越当前实验限制。

提出的方法

• 通过将电弱规范体系与两个 LSV 四维向量 ρ 和 ξ 耦合，构建标准模型的非最小扩展，其中设定 ρ = ξ 以简化相互作用结构。
• 推导三个关键过程的树图费曼规则与散射振幅：e⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ 和 γγ → W⁺W⁻，并包含 LSV 引入的修正。
• 计算这些过程的微分截面与总截面，将 LSV 修正纳入规范 boson 与 Higgs 粒子的顶点。
• 将预测的 LSV 修正截面与未来在质心系能量接近 TeV 能标的 e⁺e⁻ 对撞机上预期的实验灵敏度进行比较。
• 通过敏感度分析，推导出在太阳中心参考系中假设背景固定的条件下，LSV 四维向量时间分量的上限。
• 以标准模型扩展（SME）框架作为 LSV 耦合的理论基础，确保与已知约束和有效场论原理的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CPT 奇、非最小洛伦兹对称性破坏耦合如何改变 e⁺e⁻ 对撞机上关键电弱过程的截面？
• RQ2 未来 TeV 能标 e⁺e⁻ 对撞机对电弱规范体系中 LSV 四维向量的时间分量投影具有多高的敏感度？
• RQ3 未来对撞机的预期精度能否超越现有对 LSV 参数的限制，特别是针对纯时间分量背景的情况？
• RQ4 LSV 引入的 ZH 与 ZZ 产生振幅修正与标准模型预测相比如何？
• RQ5 γγ → W⁺W⁻ 过程在多大程度上可作为电弱规范体系中洛伦兹对称性破坏的探测工具？

主要发现

• 本研究推导了由于 CPT 奇、非最小洛伦兹对称性破坏耦合引起的 e⁺e⁻ → ZH、e⁺e⁻ → ZZ 和 γγ → W⁺W⁻ 的树图截面修正。
• 通过将 LSV 修正截面与未来 e⁺e⁻ 对撞机的预期实验灵敏度进行比较，作者推导出 LSV 四维向量时间分量的上限为 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹。
• 所得结果与先前对类似 LSV 耦合的约束一致，验证了分析框架的稳健性。
• 结果表明，未来 e⁺e⁻ 对撞机（如 CEPC、FCC-ee 或 ILC）将具备探测纯时间分量 LSV 背景下洛伦兹对称性破坏的灵敏度，精度可达 ≲10⁻⁵ GeV⁻¹。
• 该分析证实，高能轻子对撞机对电弱过程的精密测量是探测洛伦兹对称性破坏的强有力工具。
• 统一的 ρ = ξ 情形在 ZH 与 ZZ 产生过程中导致可观测的修正，使这些过程成为检验 Higgs 与规范玻色子中洛伦兹对称性破坏的理想探针。