[论文解读] Report of the Snowmass Subgroup on Extra Dimensions

G. Pásżtor, Thomas G. Rizzo|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Black Holes and Theoretical Physics被引用 4

一句话总结

本Snowmass 2001报告研究了TeV能量标度对撞机上额外维度的唯象学信号，重点关注大额外维度（ADD）、TeV标度的紧致化维度、翘曲模型（RS）、黑洞产生以及非交换QED。报告针对二胶子和选择子产生进行了灵敏度分析，推导出线性对撞机上对ADD尺度$M_s$的限制可达20–25√s，并对非交换尺度$Λ_{NC}$设定了0.42–1.5√s的下限，展示了角分布和方位角截面分布中的可观测信号。

ABSTRACT

In this report we summarize the work performed at Snowmass 2001 on the physics of extra dimensions. We divide these analyses into the following classes: searches for extra dimensional phenomena, identification of specific new physics scenarios, studies of black hole production and non-commutative QED.

研究动机与目标

• 评估在强子对撞机和轻子对撞机上通过缺失能量和接触相互作用探测大额外维度（ADD）的可探测性。
• 探讨ADD的超对称延伸对线性对撞机上选择子对产生和引力ino交换的影响。
• 利用Tevatron、LEP2和HERA的精密数据，通过SM规范玻色子的Kaluza-Klein（KK）激发态的虚交换来约束TeV标度的紧致化尺度$M_c$。
• 评估在大额外维度模型中黑洞产生与衰变信号的特征，包括Voloshin阻尼效应的影响。
• 研究非交换QED作为对撞机上洛伦兹破坏的探测工具，重点关注$\gamma\gamma$和$\gamma e$过程中的方位角各向异性。

提出的方法

• 利用Tevatron和LHC中二胶子产生的$p_T$和$p_T^2$分布，探测引力子塔交换。
• 应用线性化超引力理论，推导出SUSY扩展的ADD模型中引力ino KK塔的费曼规则和耦合。
• 对双轻子、二胶子、顶对和深度非弹性散射数据进行联合全局拟合，以约束紧致化尺度$M_c$。
• 使用有效场论和化学势方法对黑洞产生与衰变进行建模，包括Voloshin抑制效应。
• 分析线性对撞机上$\gamma\gamma \to e^+e^-$和$\gamma e \to \gamma e$过程，从非交换QED中提取方位角各向异性。
• 利用束流极化和角分布，从选择子产生中分离引力ino交换的新物理贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tevatron和LHC中二胶子产生的$p_T$分布对ADD引力子塔交换的灵敏度如何？
• RQ2 线性对撞机通过极化选择子对产生，能多大程度探测SUSY-ADD尺度$M_s$？
• RQ3 基于双轻子和二胶子过程的精密测量，能对紧致化尺度$M_c$设定多低的下限？
• RQ4 当引入Voloshin抑制时，LHC中黑洞产生截面的显著性如何？
• RQ5 非交换QED导致的$\gamma\gamma$和$\gamma e$过程中的可观测方位角各向异性是什么？这些各向异性对$\Lambda_{NC}$意味着什么下限？

主要发现

• 利用二胶子产生的$p_T$分布，在Tevatron上对ADD截断尺度$M_s$的95%置信水平（CL）排除范围为3 TeV，在LHC上为20 TeV。
• 在能量为500 GeV、束流极化度达80%的线性对撞机上，通过选择子角分布可探测到$M_s$值高达$20-25\sqrt{s}$。
• 对Tevatron、LEP2和HERA数据的联合拟合给出紧致化尺度$M_c$的下限为6.8 TeV，且在非物理区域中$\pi^2/(3M_c^2) = -0.29 \pm 0.09$ TeV$^{-2}$。
• 即使考虑Voloshin抑制，LHC中黑洞产生截面仍保持较大，尤其在$\delta = 2$至$6$个额外维度时，当$\overline{M}_* = 1$ TeV时，产生率显著。
• 在500 GeV能量下，$\gamma\gamma \to e^+e^-$过程的95% CL下对$\Lambda_{NC}$的下限为$0.42-0.52\sqrt{s}$，而$\gamma e$过程的下限可达$1.5\sqrt{s}$。
• 康普顿散射中方位角截面依赖性显示出与标准模型预测的显著偏离，当$\Lambda_{NC} = 500$ GeV时，其复杂角依赖关系涉及两个取向角。