[論文レビュー] 750 GeV Diphoton Excess as a Composite (Pseudo)scalar Boson from New Strong Interaction

Pyungwon Ko, Chaehyun Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、LHCデータで観測された750 GeVのダイフォトン過剰現象が、新たなQCDに類似した閉じ込められる力によって形成された複合（準）スカラー粒子に起因する可能性を提案している。その構成粒子は、ベクトル型クォーク（Q\bar{Q}）またはスカラクォーク（\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger）である。モデルは非相対論的QCD計算を用いて過剰現象を説明し、スピン三重項パートナーやハイパーチャーブ・シングレットのダイジェット／モノジェット事象といった検証可能なシグネチャを予測する。

ABSTRACT

The diphoton excess at 750 GeV would make a definite signal of new physics beyond the Standard Model, if confirmed. In this letter, we consider a possibility that the excess is due to a composite (pseudo)scalar boson, whose constituents are either new vector-like quarks (Q\bar{Q}) or scalar quarks (\widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger) which feel new QCD-like (hypercolor QCD) confining force with confinement scale \Lambda_h. Assuming m_Q (m_{\widetilde Q}) >> Lambda_h, the observed 750 GeV excess could be either Q\bar{Q} (^1S_0) state with J^{PC} = 0^{-+} or \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger (^1S_0) state with J^{PC}=0^{++}. For the Q\bar{Q} scenario, there will be a spin-triplet partner \psi_Q which is slightly heavier that \eta_Q due to the hyper fine interactions mediated by hypercolor gluon exchange; while for the \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger scenario, the spin-triplet partner \chi_{\widetilde Q} arises from higher radial excitation with non-zero orbital angular momentum. We consider productions and decays of eta_Q, eta_{\widetilde Q}, \psi_Q and \chi_{\widetilde Q} using the nonrelativistic QCD methods, and identify the parameter regions which can explain the observed diphoton excess. We discuss how to test these scenarios using the Drell-Yan process, and the forward dijet azimuthal angular distributions to determine the J^{PC} quantum number of the diphoton excess. Another important test of the model is the presence of a nearby hypercolor singlet but color-octet state like the ^1S_0 state \eta^8_Q or \eta^8_{\widetilde Q}, which may lead to dijet or mono-jet plus mono-photon event. Both possibilities of large or small width of the resonance can be accommodated depending on whether the hyper glueball states are kinematically allowed in the final state or not.

研究の動機と目的

• 750 GeVのダイフォトン過剰現象を、新たなQCDに類似した閉じ込められる力によって生じる複合（準）スカラー粒子として説明すること。
• その生成および崩壊の性質に基づいて、励起状態の妥当な量子数（J^{PC} = 0^{-+} または 0^{++}）を同定すること。
• スピン三重項パートナーやハイパーチャーブ・シングレットの色八重項励起状態（例：ハイパーチャーブ・シングレットの色八重項励起状態）を予測すること。
• Drell-Yan過程およびフォワードダイジェットの方位角分布を用いて、J^{PC}を実験的に特定する手法を提案すること。
• ハイパーチャーブ・グルーエンバル状態への運動的アクセスの有無に応じて、励起状態の幅が大きいか小さいかを探索すること。

提案手法

• 新しいハイパーチャーブQCDに類似した閉じ込められる力（スケール\Lambda_h）の下で、新しいベクトル型クォーク（Q\bar{Q}）またはスカラクォーク（\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger）の束縛状態として励起状態をモデル化すること。
• 非相対論的QCD技術を用いて、（準）スカラー励起状態およびそのスピン三重項パートナの生成・崩壊断面積を計算すること。
• ハイパーチャーブ・グルーオンが媒介するハイペルフィン相互作用を用いて、準スカラー（eta_Q）とそのスピン三重項パートナ（\psi_Q）の質量差を予測すること。
• 非ゼロの軌道角運動量を持つ高次励起状態を考慮し、スカラクォーク系におけるスピン三重項パートナ（\chi_{\widetilde{Q}}）の生成を記述すること。
• Drell-Yan過程およびフォワードダイジェットの方位角分布を分析して、励起状態のJ^{PC}量子数を実験的に抽出すること。
• ハイパーチャーブ・グルーエンバル状態が崩壊状態で運動的に利用可能かどうかに応じて、励起状態の幅を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVのダイフォトン過剰現象は、新たな強い相互作用から生じる複合（準）スカラー粒子によって説明可能か？
• RQ2 Q\bar{Q}および\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger系において、励起状態の予測される量子数（J^{PC}）とスピン三重項パートナは何か？
• RQ3 Drell-Yan過程およびフォワードダイジェットの方位角分布を用いて、励起状態のJ^{PC}をどのように実験的に特定できるか？
• RQ4 ハイパーチャーブ・シングレットで色八重項の状態（例：\eta^8_Q や \eta^8_{\widetilde{Q}}）が、検証可能なシグネチャを提供する役割を果たすか？
• RQ5 ハイパーチャーブ・グルーエンバル状態への運動的アクセスの有無に応じて、励起状態の幅が大きいか小さいかになる条件は何か？

主な発見

• 750 GeVのダイフォトン過剰現象は、Q\bar{Q}系ではJ^{PC} = 0^{-+}、\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger系ではJ^{PC} = 0^{++}の複合（準）スカラー粒子として説明可能である。
• Q\bar{Q}系では、ハイパーチャーブ・グルーオンの交換によるハイペルフィン分裂により、スピン三重項パートナ（\psi_Q）が生成され、準スカラー状態よりもわずかに重くなる。
• \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger系では、非ゼロの軌道角運動量を持つ高次励起状態から、スピン三重項パートナ（\chi_{\widetilde{Q}}）が生成される。
• Drell-Yan過程およびフォワードダイジェットの方位角分布は、励起状態のJ^{PC}量子数を実験的に特定する手段を提供する。
• 近くに存在するハイパーチャーブ・シングレットだが色八重項の状態（例：\eta^8_Q や \eta^8_{\widetilde{Q}}）は、観測可能なダイジェットまたはモノジェット＋モノフォトン事象をもたらす可能性がある。
• ハイパーチャーブ・グルーエンバル状態が崩壊状態で運動的に利用可能かどうかに応じて、励起状態の幅は大きくなるか小さくなる。