Simulating spin-\(\frac{3}{2}\) particles at colliders

  • N. D. Christensen
  • P. de Aquino
  • N. Deutschmann
  • C. Duhr
  • B. Fuks
  • C. Garcia-Cely
  • O. Mattelaer
  • K. Mawatari
  • B. Oexl
  • Y. Takaesu
Special Article - Tools for Experiment and Theory

Abstract

Support for interactions of spin-\(\frac{3}{2}\) particles is implemented in the FeynRules and ALOHA packages and tested with the MadGraph 5 and CalcHEP event generators in the context of three phenomenological applications. In the first, we implement a spin-\(\frac{3}{2}\) Majorana gravitino field, as in local supersymmetric models, and study gravitino and gluino pair-production. In the second, a spin-\(\frac{3}{2}\) Dirac top-quark excitation, inspired from compositeness models, is implemented. We then investigate both top-quark excitation and top-quark pair-production. In the third, a general effective operator for a spin-\(\frac{3}{2}\) Dirac quark excitation is implemented, followed by a calculation of the angular distribution of the s-channel production mechanism.

References

  1. 1.
    G. Aad et al., Phys. Lett. B 716, 1 (2012). doi:10.1016/j.physletb.2012.08.020 ADSCrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    S. Chatrchyan et al., Phys. Lett. B 716, 30 (2012). doi:10.1016/j.physletb.2012.08.021 ADSCrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    S. Deser, B. Zumino, Phys. Lett. B 62, 335 (1976). doi:10.1016/0370-2693(76)90089-7 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    D.Z. Freedman, P. van Nieuwenhuizen, S. Ferrara, Phys. Rev. D 13, 3214 (1976). doi:10.1103/PhysRevD.13.3214 MathSciNetADSGoogle Scholar
  5. 5.
    D.Z. Freedman, P. van Nieuwenhuizen, Phys. Rev. D 14, 912 (1976). doi:10.1103/PhysRevD.14.912 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    S. Ferrara, J. Scherk, P. van Nieuwenhuizen, Phys. Rev. Lett. 37, 1035 (1976). doi:10.1103/PhysRevLett.37.1035 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    E. Cremmer, B. Julia, J. Scherk, S. Ferrara, L. Girardello et al., Nucl. Phys. B 147, 105 (1979). doi:10.1016/0550-3213(79)90417-6 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    E. Cremmer, B. Julia, J. Scherk, P. van Nieuwenhuizen, S. Ferrara et al., Phys. Lett. B 79, 231 (1978). doi:10.1016/0370-2693(78)90230-7 ADSCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    E. Cremmer, S. Ferrara, L. Girardello, A. Van Proeyen, Nucl. Phys. B 212, 413 (1983). doi:10.1016/0550-3213(83)90679-X ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    E. Cremmer, S. Ferrara, L. Girardello, A. Van Proeyen, Phys. Lett. B 116, 231 (1982). doi:10.1016/0370-2693(82)90332-X ADSCrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    E. Witten, J. Bagger, Phys. Lett. B 115, 202 (1982). doi:10.1016/0370-2693(82)90644-X MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    C. Burges, H.J. Schnitzer, Nucl. Phys. B 228, 464 (1983). doi:10.1016/0550-3213(83)90555-2 ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    J.H. Kuhn, P.M. Zerwas, Phys. Lett. B 147, 189 (1984). doi:10.1016/0370-2693(84)90618-X ADSCrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    J.H. Kuhn, H. Tholl, P. Zerwas, Phys. Lett. B 158, 270 (1985). doi:10.1016/0370-2693(85)90969-4 ADSCrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    B. Moussallam, V. Soni, Phys. Rev. D 39, 1883 (1989). doi:10.1103/PhysRevD.39.1883 ADSCrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    F.M.L. Almeida, J.H. Lopes, J.A. Martins Simoes, A. Ramalho, Phys. Rev. D 53, 3555 (1996). doi:10.1103/PhysRevD.53.3555 ADSGoogle Scholar
  17. 17.
    D.A. Dicus, S. Gibbons, S. Nandi, arXiv:hep-ph/9806312
  18. 18.
    R. Walsh, A. Ramalho, Phys. Rev. D 60, 077302 (1999). doi:10.1103/PhysRevD.60.077302 ADSGoogle Scholar
  19. 19.
    O. Cakir, A. Ozansoy, Phys. Rev. D 77, 035002 (2008). doi:10.1103/PhysRevD.77.035002 ADSGoogle Scholar
  20. 20.
    W. Stirling, E. Vryonidou, J. High Energy Phys. 1201, 055 (2012). doi:10.1007/JHEP01(2012)055 ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    D.A. Dicus, D. Karabacak, S. Nandi, S.K. Rai, Phys. Rev. D 87, 015023 (2013). doi:10.1103/PhysRevD.87.015023 ADSGoogle Scholar
  22. 22.
    B. Hassanain, J. March-Russell, J. Rosa, J. High Energy Phys. 0907, 077 (2009). doi:10.1088/1126-6708/2009/07/077 ADSCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    A. Pukhov, E. Boos, M. Dubinin, V. Edneral, V. Ilyin et al., arXiv:hep-ph/9908288
  24. 24.
    E. Boos et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 534, 250 (2004). doi:10.1016/j.nima.2004.07.096 ADSCrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    A. Pukhov, arXiv:hep-ph/0412191
  26. 26.
    A. Belyaev, N.D. Christensen, A. Pukhov, Comput. Phys. Commun. 184, 1729 (2013). doi:10.1016/j.cpc.2013.01.014 ADSCrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    T. Stelzer, W. Long, Comput. Phys. Commun. 81, 357 (1994). doi:10.1016/0010-4655(94)90084-1 ADSCrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    F. Maltoni, T. Stelzer, J. High Energy Phys. 0302, 027 (2003) ADSCrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    J. Alwall, P. Demin, S. de Visscher, R. Frederix, M. Herquet et al., J. High Energy Phys. 0709, 028 (2007). doi:10.1088/1126-6708/2007/09/028 ADSCrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    J. Alwall, P. Artoisenet, S. de Visscher, C. Duhr, R. Frederix et al., AIP Conf. Proc. 1078, 84 (2009). doi:10.1063/1.3052056 ADSGoogle Scholar
  31. 31.
    J. Alwall, M. Herquet, F. Maltoni, O. Mattelaer, T. Stelzer, J. High Energy Phys. 1106, 128 (2011). doi:10.1007/JHEP06(2011)128 ADSCrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    T. Gleisberg, S. Hoeche, F. Krauss, A. Schalicke, S. Schumann et al., J. High Energy Phys. 0402, 056 (2004). doi:10.1088/1126-6708/2004/02/056 ADSCrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    T. Gleisberg, S. Hoeche, F. Krauss, M. Schonherr, S. Schumann et al., J. High Energy Phys. 0902, 007 (2009). doi:10.1088/1126-6708/2009/02/007 ADSCrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    M. Moretti, T. Ohl, J. Reuter, arXiv:hep-ph/0102195
  35. 35.
    W. Kilian, T. Ohl, J. Reuter, Eur. Phys. J. C 71, 1742 (2011). doi:10.1140/epjc/s10052-011-1742-y ADSCrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    T. Sjostrand, S. Mrenna, P.Z. Skands, J. High Energy Phys. 0605, 026 (2006). doi:10.1088/1126-6708/2006/05/026 ADSCrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    T. Sjostrand, S. Mrenna, P.Z. Skands, Comput. Phys. Commun. 178, 852 (2008). doi:10.1016/j.cpc.2008.01.036 ADSCrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    G. Corcella, I. Knowles, G. Marchesini, S. Moretti, K. Odagiri et al., J. High Energy Phys. 0101, 010 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    M. Bahr, S. Gieseke, M. Gigg, D. Grellscheid, K. Hamilton et al., Eur. Phys. J. C 58, 639 (2008). doi:10.1140/epjc/s10052-008-0798-9 ADSCrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    W. Kilian, LC-TOOL-2001-039 Google Scholar
  41. 41.
    K. Hagiwara, K. Mawatari, Y. Takaesu, Eur. Phys. J. C 71, 1529 (2011). doi:10.1140/epjc/s10052-010-1529-6 ADSGoogle Scholar
  42. 42.
    A. Semenov, arXiv:hep-ph/9608488
  43. 43.
    A. Semenov, Comput. Phys. Commun. 115, 124 (1998). doi:10.1016/S0010-4655(98)00143-X ADSCrossRefMATHGoogle Scholar
  44. 44.
    A. Semenov, arXiv:hep-ph/0208011
  45. 45.
    A. Semenov, Comput. Phys. Commun. 180, 431 (2009). doi:10.1016/j.cpc.2008.10.012 ADSCrossRefMATHGoogle Scholar
  46. 46.
    A. Semenov, arXiv:1005.1909 [hep-ph]
  47. 47.
    N.D. Christensen, C. Duhr, Comput. Phys. Commun. 180, 1614 (2009). doi:10.1016/j.cpc.2009.02.018 ADSCrossRefGoogle Scholar
  48. 48.
    N.D. Christensen, P. de Aquino, C. Degrande, C. Duhr, B. Fuks et al., Eur. Phys. J. C 71, 1541 (2011). doi:10.1140/epjc/s10052-011-1541-5 ADSCrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    N.D. Christensen, C. Duhr, B. Fuks, J. Reuter, C. Speckner, Eur. Phys. J. C 72, 1990 (2012). doi:10.1140/epjc/s10052-012-1990-5 ADSCrossRefGoogle Scholar
  50. 50.
    C. Duhr, B. Fuks, Comput. Phys. Commun. 182, 2404 (2011). doi:10.1016/j.cpc.2011.06.009 ADSCrossRefMATHGoogle Scholar
  51. 51.
    B. Fuks, Int. J. Mod. Phys. A 27, 1230007 (2012). doi:10.1142/S0217751X12300074 ADSCrossRefGoogle Scholar
  52. 52.
    A. Alloul, J. D’Hondt, K. De Causmaecker, B. Fuks, M.R. de Traubenberg, Eur. Phys. J. C 73, 2325 (2013). doi:10.1140/epjc/s10052-013-2325-x ADSCrossRefGoogle Scholar
  53. 53.
    F. Staub, arXiv:0806.0538 [hep-ph]
  54. 54.
    F. Staub, Comput. Phys. Commun. 184, 1792 (2013). doi:10.1016/j.cpc.2013.02.019 ADSCrossRefGoogle Scholar
  55. 55.
    C. Degrande, C. Duhr, B. Fuks, D. Grellscheid, O. Mattelaer et al., Comput. Phys. Commun. 183, 1201 (2012). doi:10.1016/j.cpc.2012.01.022 ADSCrossRefGoogle Scholar
  56. 56.
    P. de Aquino, W. Link, F. Maltoni, O. Mattelaer, T. Stelzer, Comput. Phys. Commun. 183, 2254 (2012). doi:10.1016/j.cpc.2012.05.004 ADSCrossRefGoogle Scholar
  57. 57.
    W. Rarita, J. Schwinger, Phys. Rev. 60, 61 (1941). doi:10.1103/PhysRev.60.61 ADSCrossRefMATHGoogle Scholar
  58. 58.
    T. Hahn, M. Perez-Victoria, Comput. Phys. Commun. 118, 153 (1999). doi:10.1016/S0010-4655(98)00173-8 ADSCrossRefGoogle Scholar
  59. 59.
    T. Hahn, Comput. Phys. Commun. 140, 418 (2001). doi:10.1016/S0010-4655(01)00290-9 ADSCrossRefMATHGoogle Scholar
  60. 60.
    T. Hahn, PoS ACAT08, 121 (2008) Google Scholar
  61. 61.
    S. Agrawal, T. Hahn, E. Mirabella, J. Phys. Conf. Ser. 368, 012054 (2012). doi:10.1088/1742-6596/368/1/012054 ADSCrossRefGoogle Scholar
  62. 62.
    J. Wess, B. Zumino, Phys. Lett. B 79, 394 (1978). doi:10.1016/0370-2693(78)90390-8 ADSCrossRefGoogle Scholar
  63. 63.
    J. Iliopoulos, B. Zumino, Nucl. Phys. B 76, 310 (1974). doi:10.1016/0550-3213(74)90388-5 ADSCrossRefGoogle Scholar
  64. 64.
    B. Fuks, M. Rausch de Traubenberg, Supersymétrie, Exercices Avec Solutions (Ellipses Editions, Paris, 2011). ISBN 978-2-729-86318-0 Google Scholar
  65. 65.
    P. Fayet, Phys. Lett. B 70, 461 (1977). doi:10.1016/0370-2693(77)90414-2 ADSCrossRefGoogle Scholar
  66. 66.
    P. Fayet, Phys. Lett. B 86, 272 (1979). doi:10.1016/0370-2693(79)90836-0 ADSCrossRefGoogle Scholar
  67. 67.
    P. Van Nieuwenhuizen, Phys. Rep. 68, 189 (1981). doi:10.1016/0370-1573(81)90157-5 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  68. 68.
    H. Murayama, I. Watanabe, K. Hagiwara, KEK-91-11 Google Scholar
  69. 69.
    A. Denner, H. Eck, O. Hahn, J. Kublbeck, Nucl. Phys. B 387, 467 (1992). doi:10.1016/0550-3213(92)90169-C ADSCrossRefGoogle Scholar
  70. 70.
    P. Artoisenet, R. Frederix, O. Mattelaer, R. Rietkerk, J. High Energy Phys. 1303, 3 (2013). doi:10.1007/JHEP03(2013)015 Google Scholar
  71. 71.
    P. Artoisenet, V. Lemaitre, F. Maltoni, O. Mattelaer, J. High Energy Phys. 1012, 068 (2010). doi:10.1007/JHEP12(2010)068 ADSCrossRefGoogle Scholar
  72. 72.
    V. Hirschi, R. Frederix, S. Frixione, M.V. Garzelli, F. Maltoni et al., J. High Energy Phys. 1105, 044 (2011). doi:10.1007/JHEP05(2011)044 ADSCrossRefGoogle Scholar
  73. 73.
    R. Frederix, S. Frixione, F. Maltoni, T. Stelzer, J. High Energy Phys. 0910, 003 (2009). doi:10.1088/1126-6708/2009/10/003 ADSCrossRefGoogle Scholar
  74. 74.
    J. Alwall, R. Frederix, S. Frixione, V. Hirschi, F. Maltoni, O. Mattelaer, P. Torrielli, M. Zaro, in preparation Google Scholar
  75. 75.
    K. Hagiwara, H. Murayama, I. Watanabe, Nucl. Phys. B 367, 257 (1991). doi:10.1016/0550-3213(91)90017-R ADSCrossRefGoogle Scholar
  76. 76.
    K. Mawatari, Y. Takaesu, Eur. Phys. J. C 71, 1640 (2011). doi:10.1140/epjc/s10052-011-1640-3 ADSCrossRefGoogle Scholar
  77. 77.
    K. Mawatari, B. Oexl, Y. Takaesu, Eur. Phys. J. C 71, 1783 (2011). doi:10.1140/epjc/s10052-011-1783-2 ADSCrossRefGoogle Scholar
  78. 78.
    P. de Aquino, F. Maltoni, K. Mawatari, B. Oexl, J. High Energy Phys. 1210, 008 (2012). doi:10.1007/JHEP10(2012)008 CrossRefGoogle Scholar
  79. 79.
    T. Bhattacharya, P. Roy, Nucl. Phys. B 328, 481 (1989). doi:10.1016/0550-3213(89)90338-6 ADSCrossRefGoogle Scholar
  80. 80.
    P. de Aquino, K. Hagiwara, Q. Li, F. Maltoni, J. High Energy Phys. 1106, 132 (2011). doi:10.1007/JHEP06(2011)132 ADSCrossRefGoogle Scholar
  81. 81.
    D. Dicus, S. Nandi, J. Woodside, Phys. Rev. D 41, 2347 (1990). doi:10.1103/PhysRevD.41.2347 ADSGoogle Scholar
  82. 82.
    J. Kim, J.L. Lopez, D.V. Nanopoulos, R. Rangarajan, A. Zichichi, Phys. Rev. D 57, 373 (1998). doi:10.1103/PhysRevD.57.373 ADSCrossRefGoogle Scholar
  83. 83.
    J. Pumplin, D. Stump, J. Huston, H. Lai, P.M. Nadolsky et al., J. High Energy Phys. 0207, 012 (2002) ADSCrossRefGoogle Scholar
  84. 84.
    E. Conte, B. Fuks, G. Serret, Comput. Phys. Commun. 184, 222 (2013) MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  85. 85.
    S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields. Vol. 1: Foundations (Cambridge University Press, Cambridge, 1995) CrossRefGoogle Scholar
  86. 86.
    M. Fierz, W. Pauli, Proc. R. Soc. Lond. A 173, 211 (1939). doi:10.1098/rspa.1939.0140 MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  87. 87.
    K. Hinterbichler, Rev. Mod. Phys. 84, 671 (2012). doi:10.1103/RevModPhys.84.671 ADSCrossRefGoogle Scholar
  88. 88.
    C.W. Chiang, N.D. Christensen, G.J. Ding, T. Han, Phys. Rev. D 85, 015023 (2012). doi:10.1103/PhysRevD.85.015023 ADSGoogle Scholar
  89. 89.
    J. Beringer et al., Phys. Rev. D 86, 010001 (2012). doi:10.1103/PhysRevD.86.010001 ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© The Author(s) 2013

Authors and Affiliations

  • N. D. Christensen
    • 1
  • P. de Aquino
    • 2
  • N. Deutschmann
    • 3
    • 4
  • C. Duhr
    • 5
    • 6
  • B. Fuks
    • 7
    • 8
  • C. Garcia-Cely
    • 9
  • O. Mattelaer
    • 11
    • 10
  • K. Mawatari
    • 2
  • B. Oexl
    • 2
  • Y. Takaesu
    • 12
    • 13
  1. 1.PITTsburgh Particle physics, Astrophysics and Cosmology Center (PITT PACC)University of PittsburghPittsburghUSA
  2. 2.Theoretische Natuurkunde and IIHE/ELEMVrije Universiteit Brussel, and International Solvay InstitutesBrusselsBelgium
  3. 3.Université de LyonLyonFrance
  4. 4.Institut de Physique Nucléaire de Lyon, UMR5822Université Lyon 1/CNRS/IN2P3Villeurbanne CedexFrance
  5. 5.Institute for Theoretical PhysicsETH ZurichZurichSwitzerland
  6. 6.Institute for Particle Physics PhenomenologyUniversity of DurhamDurhamUK
  7. 7.Theory Division, Physics DepartmentCERNGeneva 23Switzerland
  8. 8.Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien/Département Recherches SubatomiquesUniversité de Strasbourg/CNRS-IN2P3StrasbourgFrance
  9. 9.Physik-Department T30dTechnische Universität MünchenGarchingGermany
  10. 10.Centre for Cosmology, Particle Physics and Phenomenology (CP3)Université Catholique de LouvainLouvain-la-NeuveBelgium
  11. 11.Department of PhysicsUniversity of Illinois at Urbana-ChampaignUrbanaUSA
  12. 12.Department of Physics and AstronomySeoul National UniversitySeoulKorea
  13. 13.School of PhysicsKorea Institute for Advanced Study (KIAS)SeoulKorea

Personalised recommendations