[论文解读] Production of light stabilized radion at high energy hadron collider

Uma Mahanta, Anindya Datta|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文研究了在强子对撞机上，Randall-Sundrum 模型中轻量级 radion 的产生与探测，表明由于 QCD 和 QED 的共形异常带来的增强耦合，radion 通过胶子融合产生的截面比标准模型 Higgs 粒子高出 6–8 倍。radion 通过二 photon 和二胶子衰变的分支比显著增强——比标准模型 Higgs 粒子大 5–8 倍，使得 γγ 通道在 LHC 上对 1 TeV 以下质量的 radion 具有强大的探测能力，前提是 ⟨φ⟩ = 1 TeV。

ABSTRACT

In this paper we use the conformal anomaly in QCD to derive the coupling of light radion to gluons in the Randall-Sundrum model and use it to compute the radion production cross section at hadron colliders by gluon fusion. We find that the radion production cross section by gluon fusion at LHC would exceed that of the higgs boson by a factor that lies between 7 and 8 over most of the range. The decay modes of the radion are similar to that of the SM higgs boson. But the striking feature is the enhancement of radion to 2-photon and radion to 2-gluon branching ratio over the SM case. Utilising this, we then discuss the possible search strategies of such scalars at Tevatron and LHC. Using the $γγ$ decay mode one can explore/exclude radion mass upto 1 TeV. Even with the current collected data at the Tevatron, one can exclude radion mass upto 120 GeV for $\vphi$= 1 TeV.

研究动机与目标

• 利用 QCD 和 QED 中的共形异常，推导 Randall-Sundrum 模型中 radion 与胶子及光子的耦合关系。
• 计算通过胶子融合在强子对撞机上 radion 的产生截面，并与标准模型 Higgs 产生进行比较。
• 分析 radion 衰变为标准模型粒子的分支比，特别是 γγ 和 gg 模式，并与标准模型 Higgs 进行比较。
• 评估在当前和升级后的亮度条件下，利用 γγ 最终态在 Tevatron 和 LHC 上探测 radion 的可行性。
• 基于 γγ 不变量质量分布中的信号与背景比，建立 radion 质量的探测与排除极限。

提出的方法

• 利用 QCD 轨迹异常推导 radion-胶子耦合，表达式为 $\mathcal{L}_{\tilde{\phi}gg} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{\beta(g_s)}{2g_s} \tilde{\phi} G^{a\mu\nu} G^a_{\mu\nu} $，其中 $ \frac{\beta(g_s)}{2g_s} \approx -3.84 \frac{\alpha_s}{4\pi} $，对应于 $ n_f = 5 $ 个夸克。
• 通过 QED 轨迹异常计算 radion-光子耦合：$ \mathcal{L}_{\tilde{\phi}\gamma\gamma} = \frac{1}{\langle\phi\rangle} \frac{\beta(e)}{2e} \tilde{\phi} F_{\mu\nu} F^{\mu\nu} $，其中 $ \frac{\beta(e)}{2e} $ 的取值取决于 radion 质量相对于顶夸克和 W 玻色子阈值的位置。
• 计算 radion 衰变为各种标准模型末态的分支比，指出当 $ \langle\phi\rangle = 1 $ TeV 时，$ \tilde{\phi} \to gg $ 和 $ \tilde{\phi} \to \gamma\gamma $ 的分支比比标准模型 Higgs 粒子增强 5–8 倍。
• 估算在 Tevatron 和 LHC 的 γγ 不变量质量通道中，光子横向动量 (>20 GeV) 的截断条件以及 5 GeV 区间的分箱处理下的信号与背景事件数。
• 通过比较信号事件与背景事件评估探测与排除能力，以 5 的显著性阈值作为探测标准，以每箱背景事件少于 1 个作为基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD 共形异常如何在 Randall-Sundrum 模型中生成 radion 与胶子之间的耦合？
• RQ2 在 LHC 上，radion 通过胶子融合的产生截面与标准模型 Higgs 玻色子相比如何？
• RQ3 radion 衰变到 γγ 和 gg 通道的分支比与标准模型 Higgs 相比如何？增强因子是多少？
• RQ4 利用 γγ 衰变模式，在 Tevatron 和 LHC 上 radion 质量的探测与排除极限是什么？
• RQ5 radion 质量对 γγ 分支比的影响与标准模型 Higgs 有何不同？这对探测意味着什么？

主要发现

• 在 LHC 上，radion 通过胶子融合产生的截面在大部分质量范围内比标准模型 Higgs 粒子高出 6–8 倍。
• 当 $ \langle\phi\rangle = 1 $ TeV 时，radion 衰变到两个光子的分支比比标准模型 Higgs 增强了 5–8 倍。
• 衰变到两个胶子的分支比也显著增强，在某些 radion 质量下几乎达到 100%。
• 在升级后的 Tevatron 上，假设 $ \langle\phi\rangle = 1 $ TeV，可通过 γγ 最终态探测到高达 160 GeV 的 radion 质量，并可排除高达 165 GeV 的质量。
• 在 LHC 上，当亮度为 30 fb⁻¹ 时，可通过 γγ 通道探测到高达 1 TeV 的 radion 质量，且在整个质量范围内信号与背景比均有利于探测。
• 当 $ \langle\phi\rangle = 4 $ TeV 时，由于截面随 $ 1/\langle\phi\rangle^2 $ 缩放，γγ 模式下的探测能力下降至 650 GeV。