[论文解读] Searches for Large Extra Dimensions at the Tevatron

V. Krutelyov|ArXiv.org|Jul 3, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文利用质子-反质子对撞（√s = 1.96 TeV）在Tevatron对撞机上对大额外维（LED）进行了全面搜索。研究分析了直接引力子产生（通过带有光子或喷注的缺失横向动量）和虚引力子交换（通过双轻子、双光子及双矢量玻色子末态）的信号，未发现LED的证据，并为n=6个额外维度的本征普朗克尺度$M_D$设定了高达1400 GeV/c²的新下限，该结果与LEP实验的约束相当或更优。

ABSTRACT

The presence of extra dimensions can be probed in high energy collisions via the production or exchange of gravitons. The former corresponds to signatures with missing energy while the latter corresponds to modifications of the final state spectra. Here I review results of analyses performed by the CDF and D0 Collaborations on ppbar collisions at 1.96 TeV in signatures sensitive to large extra dimensions. These include analyses of photon+(missing transverse energy) and jet+(missing transverse energy) as signatures of graviton production as well as analyses of dilepton and diboson final states sensitive to graviton exchange.

研究动机与目标

• 检验大额外维（LED）作为标准模型中层次问题解决方案的可行性。
• 探测Tevatron对撞中高能$p\overline{p}$碰撞下引力子产生与交换的存在性。
• 利用CDF和DØ实验的数据，对LED模型中的本征尺度$M_D$设定实验限制。
• 通过结合多个末态并利用高精度运动学重建，提升探测灵敏度。

提出的方法

• 通过带有缺失横向动量（$E\!\!\!/_T$）和高$E_T$光子或喷注的末态，搜索直接引力子产生，要求为无额外喷注或轻子的独占末态。
• 采用数据驱动的背景估计技术，包括$Z\to\ell\ell$和$W\to\ell\nu$控制样本，以估计丢失轻子的$Z\to\nu\nu$和$W\to\ell\nu$背景。
• 利用CDF的光子时间测量和DØ的光子指向技术，抑制宇宙射线μ子被误识别为光子的情况。
• 通过重建不变质量与角分布，分析双轻子、双光子及$ZZ$末态中的虚引力子交换，以探测自旋-2交换效应。
• 将CDF实验中$\gamma+{E\!\!\!/_T}$与$\mathrm{jet}+{E\!\!\!/_T}$通道的结果结合，以提升灵敏度。
• 采用模拟与数据驱动方法，估计喷注误识别为光子及宇宙射线背景的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Tevatron对撞中$p\overline{p}$碰撞下的直接引力子产生，大额外维的本征尺度$M_D$的限制是什么？
• RQ2 $\gamma+{E\!\!\!/_T}$与$\mathrm{jet}+{E\!\!\!/_T}$末态在探测LED方面的灵敏度如何比较？
• RQ3 在双轻子与双矢量玻色子末态中，对虚引力子交换可施加何种约束？
• RQ4 Tevatron实验结果与先前LEP实验的限制相比如何？
• RQ5 结合多个末态是否能提升对LED的探测灵敏度，超越单一通道？

主要发现

• 在所有$\gamma+{E\!\!\!/_T}$、$\mathrm{jet}+{E\!\!\!/_T}$、双轻子、双光子及$ZZ$末态中，均未观测到显著超出标准模型背景的信号。
• CDF实验对$\gamma+{E\!\!\!/_T}$与$\mathrm{jet}+{E\!\!\!/_T}$通道的联合分析设定了最严格的限制，对于$n=6$个额外维度，$M_D > 1400$ GeV/c²（95%置信水平）。
• 对于$n=2$，CDF实验中$\gamma+{E\!\!\!/_T}$通道的$M_D$下限达到1600 GeV/c²，与LEP约束相当。
• 对双轻子与双光子末态中虚引力子交换的约束给出了1至2 TeV之间的$\Lambda$值，具体取决于理论参数。
• $ZZ$末态分析与标准模型一致，基于理论估算，$\Lambda$预计可被约束在1.5–2.5 TeV之间。
• Tevatron对LED的探测灵敏度与LEP实验相当或更优，尤其在$\gamma+{E\!\!\!/_T}$与$\mathrm{jet}+{E\!\!\!/_T}$通道中。