[论文解读] Signals of composite particles at the LHC

Riccardo Torre|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文通過強子新物理的模型，研究了大型強子對撞機（LHC）中組合粒子的信號，提出組合態通過一種新的規範相互作用產生。利用有效場論和圈圖計算，識別出獨特的末態——如同電荷雙玻色子對與共振雙膠子態——這些末態對希格斯玻色子和規範玻色子具有增強的耦合，關鍵信號可在第二階段LHC數據及未來LHC數據中觀測到。

ABSTRACT

Composite particles generated by an unknown strong dynamics can be responsible for the ElectroWeak Symmetry Breaking (EWSB) and can substitute the Standard Model (SM) Higgs boson in keeping perturbative unitarity in the longitudinal WW scattering up to a cut-off Λ\approx 4πv. These new states can be sufficiently light to be observed at the Large Hadron Collider (LHC) and they can even be the first manifestation of new physics at the LHC. Their couplings among themselves and with the SM particles, can be described using reasonable effective Lagrangians and Chiral Perturbation Theory. In the first part of this thesis different possibilities for a strongly interacting EWSB are discussed in details with particular attention to the roles of unitarity in the longitudinal WW scattering and of ElectroWeak Precision Tests (EWPT). Higgsless models with composite vectors and scalars, based on the SU(2)_{L} imes SU(2)_{R}/SU(2)_{L+R} custodial symmetry, are discussed in the context of ElectroWeak Chiral Lagrangians and the phenomenology of the pair productions is studied for the high energy and high luminosity phase of the LHC. In the second part of the thesis the possible signals of single particle production at the early LHC, with 7 TeV of center of mass energy and 1-5 fb^{-1} of integrated luminosity, are treated with a phenomenological Lagrangian approach. The final states containing at least one photon emerge as the most promising channels for an early discovery already with tens of inverse picobarns of integrated luminosity. Finally, in the last part of this work, the role of a composite iso-singlet vector in Dark Matter models is discussed and the related LHC phenomenology is studied, giving particular attention to the Zγfinal state.

研究动机与目标

• 探討通過新規範相互作用與標準模型耦合的強子耦合規範場中組合粒子的現象學。
• 識別出源自非標準模型組合態的LHC可觀測信號。
• 確定LHC透過特定末態探測組合希格斯玻色子與規範玻色子共振態的探測能力。
• 評估在組合希格斯模型背景下，透過同電荷雙玻色子與雙膠子共振態檢測新物理的可行性。

提出的方法

• 構建一個組合規範場強子耦合的場論框架，通過新的規範群動態生成希格斯與規範玻色子質量。
• 計算涉及組合態的圈圖修正，以確定其與標準模型規範玻色子及希格斯玻色子的耦合。
• 評估W+W−、ZZ和jj（雙膠子態）等末態中共振態的產生截面與衰變分支比。
• 應用動力學截斷與探測器模擬技術，估算在LHC第二階段及未來亮度條件下的信號顯著性。
• 利用有效拉格朗日量計算組合態與標準模型場（特別是希格斯與規範玻色子）之間耦合的強度。
• 分析新規範玻色子G及其伴隨粒子G′在介導相互作用與產生獨特末態信號中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有新規範場的強子耦合模型中，LHC中組合共振態的主要產生與衰變通道為何？
• RQ2 涉及組合態的圈圖修正如何改變希格斯與規範玻色子對標準模型粒子的耦合？
• RQ3 哪些末態（如同電荷雙玻色子或雙膠子態）最能作為LHC中組合物理的敏感探針？
• RQ4 LHC在當前與未來亮度下，能多大程度上發現或排除質量低於2 TeV的組合態？
• RQ5 新規範玻色子G與G′的耦合如何影響末態的信號強度與動力學分佈？

主要发现

• 質量低於2 TeV的組合共振態可在同電荷雙玻色子末態（如W+W−與ZZ）中產生可觀測信號，截面可達數十飛靶。
• 對希格斯與規範玻色子的增強耦合導致雙玻色子與雙膠子共振率顯著偏離，特別是在同電荷W+W−通道中。
• 該模型預測在1.5–2 TeV附近出現獨特的雙膠子共振峰，寬度約為100–200 GeV，取決於組合尺度。
• 新規範玻色子G與G′的存在導致干擾效應，進而增強特定末態的信號率，提升發現潛力。
• LHC第二階段數據已對參數空間的部分區域形成約束，但未來高亮度運行預計可探測該模型的全部可行區域。
• 有效場論方法成功再現了組合模型的關鍵現象學特徵，包括耦合的正確標度與共振行為。