[论文解读] Physics of the radion in the Randall-Sundrum scenario

Graham D. Kribs|ArXiv.org|Oct 17, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文研究了在兰德尔-兰德鲁姆模型中，通过额外维度大小涨落传播的标量场——希格斯粒子——其质量处于TeV量级，与能量-动量张量的迹的耦合常数约为1/TeV。希格斯粒子可与希格斯玻色子混合，导致显著的物理解释效应，包括修改电弱精确观测量以及改变衰变和产生率，尤其在混合较强时更为显著。

ABSTRACT

In the Randall-Sundrum solution to the hierarchy problem, the fluctuations of the size of the extra dimension are characterized by a single scalar field, called the radion. The radion is expected to have a mass somewhat lower than the TeV scale with couplings of order 1/TeV to the trace of the energy momentum tensor. In addition, the radion can mix with the Higgs boson. Implications for phenomenology are briefly reviewed.

研究动机与目标

• 理解在稳定化的兰德尔-兰德鲁姆模型中，额外维度的标量激发态——希格斯粒子的物理性质。
• 在通过体标量场稳定额外维度的背景下，确定希格斯粒子的质量与耦合常数。
• 分析希格斯粒子与希格斯玻色子混合对电弱精确观测量和散射振幅的影响。
• 评估希格斯粒子在对撞机中的物理解释信号，包括产生与衰变通道。

提出的方法

• 通过度规涨落的微扰处理及稳定化体标量场的反作用，计算希格斯粒子的质量。
• 通过对方程中$g_{55}$度规分量变分，推导希格斯粒子与标准模型能量-动量张量迹的耦合。
• 评估希格斯粒子在强子和$e^+e^-$对撞机中的产生，通过耦合因子$\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$将截面与标准模型希格斯玻色子的截面关联。
• 分析希格斯粒子的衰变模式，强调在$m_r \gtrsim 12m_b$时，通过迹异常主导的$r \to gg$衰变；在更高质量时，$r \to W^+W^-$、$ZZ$、$hh$占主导。
• 在四维有效理论中引入无量纲混合项$S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^†H$，描述希格斯粒子与希格斯场之间的混合。
• 研究希格斯粒子-希格斯玻色子混合对电弱观测量（S、T参数）及规范玻色子散射振幅的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稳定化的兰德尔-兰德鲁姆模型中，希格斯粒子的质量是多少？其与稳定机制有何依赖关系？
• RQ2 希格斯粒子与标准模型场的耦合常数与希格斯玻色子相比如何？其主要的产生与衰变通道是什么？
• RQ3 希格斯粒子-希格斯玻色子混合对电弱精确观测量的物理解释后果是什么？
• RQ4 迹异常如何影响希格斯粒子与胶子的耦合？其在对撞机产生中的作用是什么？
• RQ5 当希格斯粒子-希格斯玻色子混合显著时，是否会在达到四维截断尺度之前，导致规范玻色子散射中的强相互作用动力学？

主要发现

• 希格斯粒子的质量估计在$\mathcal{O}(10\;\text{GeV}) \lesssim m_r \lesssim \Lambda$范围内，下限来自量子修正，上限来自四维截断尺度。
• 希格斯粒子以约$\sim 1/\Lambda$的强度耦合至标准模型能量-动量张量的迹，其耦合常数相对于希格斯玻色子被$\gamma = v/(\sqrt{6}\Lambda)$抑制。
• 在强子对撞机中，主要通过胶子的圈诱导耦合产生，受QCD $\beta$-函数增强，截面与希格斯产生关系为$\sigma(e^+e^- \to Zr) = \gamma^2 \sigma(e^+e^- \to Zh)$。
• 当$12m_b \lesssim m_r \lesssim 2M_W$时，$r \to gg$衰变占主导，归因于迹异常；在较低质量时，$r \to b\bar{b}$也显著；在更高质量时，$W^+W^-$、$ZZ$和$hh$占主导。
• 通过算符$S_{\text{mixing}} = \xi \int d^4x \sqrt{g_{\text{ind}}} R^{(4)} H^\dagger H$实现的希格斯粒子-希格斯玻色子混合，可导致S和T参数的显著偏离，当$\xi$适中且为负时，可使两者质量均达到$\gtrsim 300\;\text{GeV}$。
• 当希格斯粒子-希格斯玻色子混合显著时，可在低于四维截断尺度$\Lambda$的能量下，使$WW$散射中出现强相互作用动力学，表明微扰理论的失效。