[論文レビュー] Boosted scalar confronting 750 GeV di-photon excess

Y. Jiang, Lingfeng Li+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 166被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける750 GeVの二光子過剰を説明するため、750 GeVに位置する重いCP対称Higgs $Y_2$ が、2つの高エネルギー化した、1 GeV未塔のシングレットに類似したスカラー $Y_1$ に崩壊し、それぞれが凝集した光子ジェットを生成するブーストドスカラー模型を提案する。複素シングレット拡張により、$Y_1$ の1メートルの崩壊長と1–10 fbの二光子断面積が実現可能であり、シングレットのピロシスラー成分は自然にダークマター候補として機能する。

ABSTRACT

We consider the di-photon signal arises from two bunches of collimated photon jets emitting from a pair of highly boosted scalars. Following the discussion of detecting the photon jets at the collider, we extend the two-Higgs-doublet model (2HDM) by adding a gauge singlet scalar. To explain the di-photon excess which is recently observed at the first 13 TeV run of the LHC, the mixing between the heavy doublet state and the newly added singlet is crucially needed. After the mixing, one can have a heavy Higgs state $Y_2$ at 750 GeV and a very singlet-like scalar $Y_1$ of sub-GeV, which would be highly boosted through the $Y_2$ decay. Both real singlet and complex singlet extension are studied. It turns out that only the complex model can yield the 1-10 fb cross section in the di-photon final state in accompany with the decay length of the order of 1 m for the $Y_1$. This complex model parametrically predicts the width of 750 GeV resonance $\gtrsim 1$ GeV. In addition, the pseudoscalar component of the singlet in this model is naturally stable and hence could be a dark matter candidate.

研究の動機と目的

• 最小2HDMでは二光子ブランチ比が抑制されるため、13 TeVでのLHCで観測された750 GeVの二光子過剰を説明できないこと。
• 750 GeVの共鳴状態の直接崩壊を超えた、ブーストド、長寿命スカラー状態を含むカスケード崩壊に注目した二光子信号の代替メカニズムの探求。
• 2HDMのゲージシングレットスカラー拡張が、観測された二光子断面積と軽いスカラーの必要な崩壊長を同時に再現できるかの検証。
• 軽いスカラー $Y_1$ が十分に長寿命で凝集した光子ジェットを生成しつつ、検出可能な二光子信号を維持できるパラメータ空間の特定。

提案手法

• 2HDMにゲージシングレットスカラーを追加し、750 GeVに位置する質量固有状態 $Y_2$ と210 MeV未塔の軽いシングレットに類似した $Y_1$ を得る。
• 重いダブルット状態 $Y_2$ とシングレット $Y_1$ 間の微小な混合を導入し、ループ誘導結合を通じて $Y_1$ の崩壊長を制御する。
• 実数シングレットと複素シングレットの両方の拡張を検討。複素モデルはスカラー補勢に線形項を含み、ヒッグスの非可視崩壊を引き起こさずに混合を可能にする。
• 加速器の素粒子物理学的解析を用い、$Y_1$ の崩壊から生じる光子ジェット生成をシミュレートし、角度的分離 $\lesssim 0.1$ ラジアンの狭いジェットを要件とする。
• gg → Y_2 → Y_1 Y_1 → γγγγ を通じた二光子断面積 $\sigma(pp \to \gamma\gamma)$ を計算し、観測された10–6 fbのレートと整合するようにする。
• スカラー補勢の正定性とユニタリティに基づく四次結合定数 $\lambda_i$, $\kappa_i$ の制約を用いて、安定性と摂動的有効性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな結合定数を必要とせずに、ブーストド、長寿命スカラーを含むカスケード崩壊機構が750 GeVの二光子過剰を説明可能か。
• RQ2 LHCのジェット再構成と整合する凝集した光子ジェットを生成するため、軽いスカラー $Y_1$ に必要な質量と崩壊長は何か。
• RQ3 複素シングレットモデルが、正しい二光子断面積と崩壊長を両立させるために実シングレットモデルよりもより有効である理由は何か。
• RQ4 750 GeVの共鳴状態とシングレットスカラーとの混合が、$Y_2$ 共鳴状態の幅にどのように影響するか。
• RQ5 このモデルにおけるシングレットのピロシスラー成分が、安定なダークマター候補として機能できるか。

主な発見

• 複素シングレット拡張は、混合制約がきつい実シングレットモデルでは達成できない観測された1–10 fbの二光子断面積を成功裏に再現する。
• 複素モデルでは、$Y_1$ スカラーの1メートル程度の崩壊長が達成可能であり、LHCで検出可能な凝集した光子ジェットを生成可能である。
• 750 GeVの共鳴状態 $Y_2$ の幅は $\gtrsim 1$ GeV と予測され、観測された信号幅と整合する。
• シングレットのピロシスラー成分は $Z_2$-類似対称性により自然に安定であり、妥当なダークマター候補である。
• 実シングレットモデルでは、混合抑制が強く、二光子断面積と崩壊長の両方の制約を同時に満たせない。
• $Y_2$ 共鳴状態は主にグルーオン融合で生成され、$m_{Y_1} \lesssim 210$ MeV である限り、$Y_1 Y_1$ への崩壊は力学的に許容される。