[論文レビュー] A spartan model for the LHC diphoton excess

Thomas Appelquist, James Ingoldby+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、標準模型の最小限で再正則化可能な拡張を提案し、新しい $SU(2)_V$ ゲージ系と複素スカラーダブルット $\Phi_V$ を含む。$\Phi_V$ は真空期待値 $f_V$ をとることで、750 GeV の重いスカラーレゾナントを生成し、LHC の二光子過剰を説明する。モデルは、新たなベクトルボソンを安定化させ、電弱精度補正を抑制するための偶然的な $U(1)$ 対称性を有しており、これにより、サブ-TeV のベクトル質量と強い結合定数を維持しつつ、既存の制約と整合的である。

ABSTRACT

We propose a simple model accommodating the reported 750 GeV diphoton excess seen in the first 13-TeV run of the LHC. It leads to testable predictions, in particular for di-lepton production, at higher integrated luminosity. We append to the minimal standard model a new gauge sector with its own SU(2) symmetry group. A new complex doublet scalar field provides mass for the new vectors and describes the 750-GeV resonance. An adequate rate for the diphoton signals, with resonant production via photon fusion, requires the VEV of the new scalar field to be somewhat less than the electroweak scale. This in turn requires the new heavy vectors to have sub-TeV masses and be relatively strongly coupled. A new global U(1) symmetry plays a key role. Current precision-electroweak constraints are respected.

研究の動機と目的

• LHC の 13 TeV ルンで観測された 750 GeV の二光子レゾナントを、標準模型の最小限で再正則化可能な拡張によって説明すること。
• 新しいサブ-TeV のベクトル状態とスカラ状態が存在するにもかかわらず、電弱精度測定と整合的であること。
• 微調整を必要とせず、新しい電弱精度観測量への寄与を抑制するメカニズムを同定すること。
• 将来の高流量 LHC ルンで、特に二レプトン生成において検証可能な信号を予測すること。
• 偶然的なグローバル $U(1)$ 対称性が、新しいベクトルボソンの安定化とその崩壊幅の抑制に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 新しい $SU(2)_V$ ゲージ系を導入し、複素スカラーダブルット $\Phi_V$ と結合させ、真空期待値 $f_V$ を通じて対称性を破る。
• 物理的ヒッグスに類似たスカラ $H$ が $\Phi_V$ から生じ、それが 750 GeV のレゾナントとなるようにモデルを構築し、その質量と結合定数を $f_V$ とゲージ結合定数 $g_V$ で決定する。
• $SU(2)_R \times SU(2)_V$ の対称性の破れ後に生じる偶然的な $U(1)$ 対称性を導入し、電弱精度観測量へのループ階層の寄与を抑制する。
• 有効場理論（EFT）技術を用いて、光子融合による二光子生成断面積を計算し、主に新しいベクトルボソンのループが支配的であることを示す。
• NNPDF23_nlo_as_0119_qed PDF セットを用いて、$\sqrt{s} = 8$ および $13$ TeV における二光子信号率を推定するためのパートン局在度 $C_{\gamma\gamma}$ を計算する。
• 電弱精度データおよびヒッグス結合からの制約を評価し、サブ-TeV のベクトル質量を持つモデルが微調整なしに依然として有効であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微調整や非常に重い新しい状態を必要とせず、単純で再正則化可能なモデルが 750 GeV の二光子過剰を説明できるか？
• RQ2 サブ-TeV のベクトルボソンを有する新しい $SU(2)_V$ ゲージ系が、電弱精度測定と整合的であるか？
• RQ3 偶然的な $U(1)$ 対称性が $S$ および $T$ パラメータへの新しい寄与を抑制する役割を果たすか？
• RQ4 LHC における二レプトンおよび光子融合生成断面積の予測は何か？そして、これらは将来のルンで検証可能か？
• RQ5 750 GeV のレゾナントを満たす条件が、真空期待値 $f_V$ とゲージ結合定数 $g_V$ にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 二光子過剰は、新しい $SU(2)_V$ ベクトルボソンのループによって生成される光子融合経路を通じて、質量の大きなスカラ $H$ が生成されることで説明される。
• 十分に大きな二光子断面積を達成するためには、$f_V \lesssim f$ でなければならない。ここで $f \approx 244$ GeV は電弱スケールである。この条件により、新しいボソンは比較的軽く強く結合している必要がある。
• 必要なベクトル質量を達成するためには、ゲージ結合定数 $g_V$ が比較的強くなければならない。$g_V \gtrsim 2$ でなければ、微調整なしにサブ-TeV の質量を達成できない。
• 偶然的な $U(1)$ 対称性により、$S$ および $T$ パラメータへのループ階層の寄与が抑制され、新しい状態が存在するにもかかわらず、電弱精度制約を満たすモデルが可能になる。
• 光子融合による $H$ レゾナントの生成断面積は、$M_H$ に依存して、$\sqrt{s} = 8$ TeV で約 11 fb、$\sqrt{s} = 13$ TeV で約 54 fb の範囲に予想され、$C_{\gamma\gamma}$ の値は 10～100 のオーダーである。
• 新しい電荷を有するベクトルボソンは、偶然的な $U(1)$ 対称性によって安定化され、長寿命を示し、将来の LHC ルンで二レプトン最終状態のシグナルとして観測可能である可能性がある。