[论文解读] Warped Extra Dimensional Benchmarks for Snowmass 2013

Kaustubh Agashe, Oleg Antipin+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Cryospheric studies and observations参考文献 47被引用 7

一句话总结

本文提出两个用于大型强子对撞机（LHC）的基准模型，用于在翘曲额外维度框架下搜索标准模型粒子的卡鲁扎-克莱因（Kaluza-Klein, KK）激发态，该框架可自然地解决标准模型的层次问题。研究发现，尤其在高亮度LHC条件下，发现前景非常乐观，当右手中微子或左手中微子顶夸克局域化在TeV膜附近时，自旋-1和自旋-2 KK粒子衰变为顶夸克/底夸克及规范玻色子/希格斯玻色子的信号将非常显著。

ABSTRACT

The framework of a warped extra dimension with the Standard Model (SM) fields propagating in it is a very well-motivated extension of the SM since it can address both the Planck-weak and flavor hierarchy problems of the SM. We consider signals at the 14 and 33 TeV large hadron collider (LHC) resulting from the direct production of the new particles in this framework, i.e.,Kaluza-Klein (KK) excitations of the SM particles. We focus on spin-1 (gauge boson) and spin-2 (graviton) KK particles and their decays to top/bottom quarks (flavor-conserving) and W/Z and Higgs bosons, in particular. We propose two benchmarks for this purpose, with the right-handed (RH) or LH top quark, respectively, being localized very close to the TeV end of the extra dimension. We present some new results at the 14 TeV (with 300 fb$^-1$ and 3000 fb$^-1$) and 33 TeV LHC. We find that the prospects for discovery of these particles are quite promising, especially at the high-luminosity upgrade.

研究动机与目标

• 为在翘曲额外维度框架下，于大型强子对撞机（LHC）探测标准模型（SM）粒子的卡鲁扎-克莱因（KK）激发态，提供具体且具有现象学动机的基准模型。
• 通过统一框架解决标准模型的普朗克-弱尺度层次问题与味层次问题，其中标准模型场在五维翘曲反 de Sitter 空间（AdS₅）中传播。
• 识别最敏感的信号通道，特别是自旋-1和自旋-2 KK粒子衰变为顶夸克/底夸克、W/Z玻色子及希格斯玻色子的衰变模式。
• 评估在14 TeV与33 TeV LHC能量下的发现潜力，重点关注高亮度条件（300 fb⁻¹ 与 3000 fb⁻¹）。

提出的方法

• 采用包含五维反 de Sitter 空间（AdS₅）切片的兰德尔-桑德鲁姆模型（Randall-Sundrum model），其中四维有效质量尺度随额外维度中的位置而变化。
• 将希格斯场作为五维规范场（A₅）的第五分量进行局域化，自然地使其靠近TeV膜，通过指数翘曲效应生成弱-普朗克尺度层次问题。
• 通过五维质量参数（c）实现费米子的局域化，其中顶夸克（及其伙伴）局域化在TeV膜附近（c ≲ 0），轻费米子则局域化在普朗克膜附近（c ≳ 1/2），从而导致层次化的 Yukawa 耦合。
• 构建两个不同的基准模型：一个为右手中子（RH）顶夸克局域化在TeV膜附近，另一个为左手中子（LH）顶夸克局域化在TeV膜附近，以探索不同的信号模式。
• 计算KK规范玻色子（自旋-1）与引力子（自旋-2）的分支比与产生截面，重点关注其衰变为顶夸克/底夸克及W/Z/希格斯玻色子的衰变过程。
• 利用与 Y₅²v²/Mₖₖ² 成正比的有效算符，估算希格斯耦合（如 htt、hWW、hγγ）与三重规范玻色子耦合（WWZ）的偏移量，其中 Mₖₖ 为KK标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在翘曲额外维度模型中，标准模型粒子的卡鲁扎-克莱因激发态在LHC中最具前景的信号是什么？
• RQ2 当右手中子或左手中子顶夸克局域化在TeV膜附近时，自旋-1与自旋-2 KK粒子的产生与衰变模式有何不同？
• RQ3 在14 TeV与33 TeV LHC能量下，特别是高亮度条件（300 fb⁻¹ 与 3000 fb⁻¹）下，这些KK态的发现潜力如何？
• RQ4 希格斯耦合与三重规范玻色子耦合的偏离量如何随KK质量变化？是否在当前与未来LHC精度测量的范围内？
• RQ5 规范-希格斯统一与基本希格斯标量对KK态现象学有何影响？

主要发现

• 右手中子顶夸克局域化在TeV膜附近，显著增强了KK规范玻色子衰变为顶夸克的产生截面，使该基准模型对发现极为敏感。
• 对于KK质量超过几TeV的情况，顶夸克耦合的偏移量（δ(ht̄t)）估计小于10%，而希格斯耦合至光子与胶子的偏移量（δ(hγγ, hgg)）也处于约10%量级，具体取决于模型细节。
• 三重规范玻色子耦合偏移量（δ(WWZ)）在 Mₖₖ ≳ 几TeV 时估计小于0.1%，与精确电弱约束一致。
• 在高亮度LHC条件下，KK粒子的发现潜力显著增强，3000 fb⁻¹ 的积分亮度预计将在顶夸克与矢量玻色子末态中产生强信号。
• 该模型在通过五维质量参数合理调节费米子局域化的情况下，可自然解决层次问题与味问题，且无需引入大范围微调或味改变的中性流过程。
• 在包含规范统一理论（GUT）的扩展模型中，通过 Z₃ 对称性稳定，可自然产生一种可行的WIMP暗物质候选者，为宇宙学提供了有力的动机。