[論文レビュー] Broad Diphotons from Narrow States

Haipeng An, Clifford Cheung+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 39

ひとこと要約

本論文は、幅が広がった幅（約45 GeV）を持つ750 GeVの二光子共鳴状態を、幅が狭い粒子の三体崩壊によって説明する弱く結合した、再正則化可能な理論を提案する。この理論では、オフシェル・スカラー・ボソンが二光子生成を媒介し、結果として幅が広く調整可能な共鳴状態が生じる。主な予測は、欠損エネルギー、ジェット、またはレプトンに対して反動する非対称な二光子ピークであり、このメカニズムの決定的な特徴となる。

ABSTRACT

ATLAS and CMS have each reported a modest diphoton excess consistent with the decay of a broad resonance at ~ 750 GeV. We show how this signal can arise in a weakly coupled theory comprised solely of narrow width particles. In particular, if the decaying particle is produced off-shell, then the associated diphoton resonance will have a broad, adjustable width. We present simplified models which explain the diphoton excess through the three-body decay of a scalar or fermion. Our minimal ultraviolet completion is a weakly coupled and renormalizable theory of a singlet scalar plus a heavy vector-like quark and lepton. The smoking gun of this mechanism is an asymmetric diphoton peak recoiling against missing transverse energy, jets, or leptons.

研究の動機と目的

• 幅が広がった幅（~45 GeV）を持つ観測された750 GeVの二光子共鳴状態を、弱く結合した、幅が狭い粒子のみを用いて説明すること。
• 中間状態の粒子が幅が狭いにもかかわらず、オフシェルのスカラーまたはフェルミオンを介した三体崩壊によって、幅が広く調整可能な二光子共鳴状態が生じることを示すこと。
• シングレットスカラー、ベクトルレプリカクォーク、ベクトルレプリカレプトンからなる最小限の紫外完全モデルを提供し、二光子共鳴状態の生成断面積と幅を再現すること。
• 特徴的な実験的シグネチャを特定すること：欠損横断運動量、ジェット、またはレプトンに対して反動する非対称な二光子ピークであり、強く結合したモデルとは明確に区別される。

提案手法

• このメカニズムは三体崩壊に依存する：χ₁ → χ₂(ϕ* → γγ)，ここでϕは二光子に崩壊するが、オフシェルで生成されるスカラーである。
• 二光子共鳴状態の幅は、χ₁、χ₂、ϕの質量差を調整することで調整可能であり、ϕが固有に幅が狭いにもかかわらず、広く調整可能な幅を持つ二光子共鳴状態が得られる。
• 二光子結合は、重い電荷を帯びたおよび色を持つ粒子を含む高次元オペレーターによって媒介され、有効結合は ∝ α/(6πΛ) および αₛ/(6πΛₛ) のように表される。
• シングレットスカラー、重いベクトルレプリカクォーク、およびベクトルレプリカレプトンを用いた再正則化可能な理論により、UV完全化が行われ、弱い結合性と再正則化可能性が保証される。
• 共鳴状態の生成断面積は、ベクトルレプリカクォークの対生成によって制御され、観測された5–10 fbの信号断面積に一致するようにヤウカフ結合を調整する。
• 競合する崩壊チャネルを抑制するために運動論的制約が課され、例えば m_Q - m_ϕ < m_W + m_b とすることで、オンシェル状態でのWの生成を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幅が広がった二光子共鳴状態（幅 ~45 GeV）を、幅が狭い粒子のみを用いた弱く結合した再正則化可能な理論で説明できるか？
• RQ2 強い結合性や大きなヤウカフ結合を必要とせずに、観測された二光子共鳴状態断面積（~5–10 fb）を再現できるか？
• RQ3 このようなモデルで、強く結合した解釈とは明確に区別される特徴的な実験的シグネチャは何か？
• RQ4 二光子ピークの幅を、中間状態の固有幅とは独立に調整できるか？
• RQ5 このメカニズム下で、二光子イベントにおける欠損エネルギー、ジェット、またはレプトンにどのような影響があるか？

主な発見

• 二光子共鳴状態の幅はスカラーϕの固有幅に由来するのではなく、三体崩壊におけるオフシェル生成に起因するため、ϕが幅が狭いにもかかわらず、広く調整可能な幅を持つ二光子共鳴状態が得られる。
• 二光子ピークは非対称であり、ピークより下のエネルギー領域に多くのイベントが集中している。これは三体崩壊の運動論的性質による。
• 本モデルは決定的シグネチャを予測する：χ₁がχ₂とオフシェルϕに崩壊することで、欠損横断運動量、ジェット、または電荷を帯びたレプトンに対して反動する二光子イベントが生じる。
• ボトムパートナーの状況では、750 GeVのベクトルレプリカクォークが信号断面積 ~5 fb（r ≈ 0.0096）を生成し、モデルは約750 GeVの不変質量を持つハードジェットを予測する。
• トップパートナーの場合は、920 GeVのベクトルレプリカクォークが信号断面積 ~5 fb（r ≈ 0.036）を生成し、モデルは二つのハードジェット、電荷を帯びたレプトン、および欠損エネルギーを伴うイベントを予測する。
• m_Q - m_ϕ < 50 GeV の場合、Q → t*ϕ の崩壊幅は著しく抑制される（≈ 0.02 μm⁻¹ × y² × (Δm/50 GeV)⁷）ため、望ましい二光子チャネルが支配的になる。