[论文解读] Stueckelberg Axions and Anomalous Abelian Extensions of the Standard Model

Simone Morelli|ArXiv.org|Jul 22, 2009

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

本文研究了标准模型的异常 U(1) 扩展，其中通过 Stueckelberg 轴子实现异常抵消，引入了一个具有轴子样性质的物理赝标量（轴-希格斯）。研究分析了大型强子对撞机（LHC）上的规范幅值，表明 Drell-Yan 和即时双光子过程被抑制，并建立了与 Wess-Zumino 类异常抵消机制中非局部反项相关的单位性约束。

ABSTRACT

This thesis work analyzes basic field theoretical aspects of a class of models motivated by orientifold vacua of string theory and some of their phenomenological applications at the Large Hadron Collider. They extend the gauge structure of the Standard Model by anomalous extra U(1) symmetries, which involve Stuckelberg axions for anomaly cancellation and are accompanied by Chern-Simons interactions. In particular, these effective actions are characterized by a physical pseudoscalar (the axi-Higgs) in the CP-odd spectrum, which has the properties of a generalized Peccei-Quinn axion, with independent mass and couplings to the gauge fields. Amplitudes mediated by anomalous gauge interactions are studied at the new collider in some specific channels such as Drell-Yan and double prompt-photon and shown to be small. Finally, we address the problem of the relation between the Green-Schwarz and the Wess-Zumino mechanism(s) for anomaly cancellations in effective lagrangeans involving anomalous gauge interactions, with their gauge symmetry restored either with local or non-local counterterms and identify some unitarity bounds in the Wess-Zumino case. These are due to the presence of anomaly poles in scattering amplitudes mediated by the anomaly (BIM amplitudes) and whose cancellation requires necessarly non-local counterterms. While the axi-Higgs appears in the Wess-Zumino case, two axion-like particles are needed for the cancellation of the gauge anomalies at all scales, one of them being a ghost.

研究动机与目标

• 探索由弦理论 orientifold 真空所启发的异常 U(1) 扩展的标准模型的场论方面。
• 分析 Stueckelberg 轴子如何通过陈-西蒙斯相互作用在规范异常抵消中发挥作用。
• 研究轴-希格斯粒子在高能对撞过程（如 Drell-Yan 和双光子产生）中的现象学信号。
• 阐明有效拉格朗日量中 Green-Schwarz 与 Wess-Zumino 机制在具有异常规范对称性的体系中的相互作用。
• 推导出由异常极点引起的散射幅值中的单位性约束，以及非局部反项的必要性。

提出的方法

• 构建包含异常 U(1) 规范对称性并通过对陈-西蒙斯项耦合 Stueckelberg 轴子的有效场论。
• 引入一个具有独立质量与规范耦合的物理赝标量（轴-希格斯），作为广义的 Peccei-Quinn 轴子。
• 计算由异常规范相互作用介导的 Drell-Yan 和双即时光子过程的散射幅值。
• 使用局部与非局部反项分析异常抵消，比较 Green-Schwarz 与 Wess-Zumino 机制。
• 在 Wess-Zumino 方法中识别出由于异常介导幅值中的极点而产生的单位性约束。
• 证明在所有能量尺度上实现一致异常抵消需要两个轴子样粒子，其中一个为鬼态。

实验结果

研究问题

• RQ1 Stueckelberg 轴子在标准模型的异常 U(1) 扩展中如何介导异常抵消？
• RQ2 轴-希格斯粒子在 LHC 过程（如 Drell-Yan 和双光子产生）中的现象学信号是什么？
• RQ3 在具有异常规范对称性的有效拉格朗日量中，Green-Schwarz 与 Wess-Zumino 机制如何比较？
• RQ4 在 Wess-Zumino 方法中，由异常介导的幅值中会涌现出哪些单位性约束？
• RQ5 为何在所有能量尺度上实现一致异常抵消需要两个轴子样粒子（包括一个鬼态）？”

主要发现

• 在 LHC 上，由异常规范相互作用介导的 Drell-Yan 和双即时光子过程的幅值被发现很小。
• 轴-希格斯粒子表现出广义 Peccei-Quinn 轴子的性质，具有独立的质量与规范耦合，与希格斯玻色子不同。
• Wess-Zumino 机制中的单位性约束源于异常介导幅值（BIM 幅值）中的极点，要求使用非局部反项。
• 在所有尺度上实现异常抵消需要两个轴子样粒子：一个物理赝标量（轴-希格斯）和一个鬼态。
• 散射幅值中异常极点的存在强制要求在 Wess-Zumino 框架中使用非局部反项以保证一致性。
• Green-Schwarz 与 Wess-Zumino 机制被证明相关但不同，后者需要非局部项以维持单位性。