Search and identification of effects of extra spatial dimensions in lepton pair production at LHC

Abstract

N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulous, and G. Dvali have proposed a model (ADD) of low-scale quantum gravity featuring large extra dimensions. In this model, the exchange of Kaluza - Klein towers of gravitons can enhance a production rate of lepton pairs at high invariant mass in proton-proton collisions at LHC. By considering the present and future LHC energy regimes, we have again analyzed the LHC potential to discover the effects of large extra dimensions and to discrimi­nate between various theoretical models. Specifically, in the latter case we explore the LHC capability to distinguish spin-2 Kaluza - Klein towers of gravitons exchange from other new physics effects which might be conveniently parametrized by the four-fermion contact interactions. We find that LHC with planned energy of 14 TeV and luminosity of 100 fb-1 will be capable of discovering (and identifying) graviton exchange effects in the large extra dimensions with the cutoff parameter of the order MS = 6.2 TeV (4.8 TeV) for d = 6 and MS = 8.8 TeV (6.8 TeV) for d = 3.

Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали предложили модель (ADD) низкоразмерной квантовой гравитации с большими пространственными измерениями. В этой модели обмен гравитонных башен Калуцы - Клейна может усилить величину сечения рождения лептонных пар при больших инвариантных массах дилептонов в протон-про­тонных столкновениях на коллайдере LHC. Принимая во внимание настоящий и будущий энергетические режимы коллайдера LHC, мы вновь проанализировали потенциальные возможности LHC по обнаружению эффектов боль­ших дополнительных измерений, а также по разделению различных теоретических моделей. В частности, в послед­нем случае мы исследуем возможности LHC по разделению эффектов обмена гравитонными башнями Калуцы -Клейна со спином 2 и эффектов «новой» физики другой природы, которые могут быть удобно параметризованы четырехфермионными контактными взаимодействиями. Для LHC с планируемой энергией в 14 ТэВ и светимостью 100 фб-1 мы определили граничные значения на параметр обрезания MS, для которого LHC сможет обнаруживать (и идентифицировать) эффекты обмена гравитонными башнями, а именно: MS = 6,2 ТэВ (4,8 ТэВ) для d = 6 и MS = 8,8 ТэВ (6,8 ТэВ) для d = 3.