Produção dupla do bóson Z e de quarks pesados como assinaturas de dimensões extras no grande colisor de hádrons
Resumo
A compreensão da Cromodinâmica Quântica (QCD) - teoria que descreve as interações fortes - e da Gravitação Quântica - a Gravitação a nível microscópico - são dois dos grandes desafios teóricos da atualidade. Para ajudar no entendimento destes dois desafios alguns autores propuseram a existência de dimensões extras na Natureza, as quais estariam compactadas
e não seriam visíveis a nível macroscópico, mas cujos efeitos poderiam se manifestar em processos de colisão de partículas ultrarelativísticas. Consideramos nesta dissertação dois processos particulares em que efeitos de dimensões extras são relevantes nos colisores atuais: a produção de buracos negros e a produção dupla do bóson Z. No primeiro processo temos que buracos negros (BN ou black holes, BH) poderiam ser produzidos em colisões
próton-próton que são realizada no experimento denominado Grande Colisor de Hádrons (LHC), em futuros colisores e em raios cósmicos ultraenergéticos. O BN é um objeto que é caracterizado por sua massa e temperatura, as quais definem o processo de evaporação do mesmo. Em princípio, todos os tipos de partículas deverão ser emitidos durante a evaporação. Um dos objetivos desta dissertação ´e estudar a produção de BN, no LHC e em uma faixa de energia correspondente a futuros colisores, e a taxa de evaporação destes especificamente em quarks pesados. Neste trabalho, calculamos a seção de choque da colisão próton-próton para a produção de quarks pesados considerando um modelo simplificado para a descrição da produção dos BNs e considerando também correções associadas a inelasticidade. Comparamos a estimativa da evaporação em quarks pesados com as predições
da QCD para a produção dos mesmos. Por fim, estudamos a dependência dos resultados nos possíveis valores da massa de Planck e diferentes valores de massas dos buracos negros. Nossos resultados indicam que se existem dimensões extras grandes na Natureza, haverá uma alta taxa de produção de buracos negros no LHC e que a evaporação desses em quarks top pode ser considerado um bom observável para evidenciar tais dimensões extras se as
correções de inelasticidade forem desprezíveis. Caso contrário a evaporação em quarks top só será um bom observável para futuros colisores e raios cósmicos ultraenergéticos. Uma outra implicação do modelo de dimensões extras grandes ´e o fato de que processos mediados pelo gráviton serão amplificados. Estudamos a produção dupla do bóson Z, mediada por
grávitons, em processos, inclusivos e exclusivos, no LHC. No processo inclusivo analisamos a dependência dos resultados no valor da massa de Planck e no número de dimensões extras e comparamos com a produção do ponto de vista do Modelo Padrão. Nossos resultados indicam que para pequenos valores de massa de Planck as duas produções são competitivas.
Por outro lado a produção exclusiva se torna de grande interesse pelo fato de que a produção dupla do bóson Z em interações gluon-gluon nao ´e prevista no Modelo Padrão em ordem dominante. Nossos resultados indicam que este ´e um bom observável quando consideramos a massa de Planck da ordem de 2TeV.