[論文レビュー] Confronting diphoton resonance with cascade decays in warped gravity

Barry M. Dillon, Chengcheng Han+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 47被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるダイフォトン共鳴状態が、カルラツォ＝クライン重力子が2つのラディオンに崩壊し、それぞれがその後フォトン・ジェットに崩壊するという連鎖崩壊によって生じる歪んだ余次元モデルを提案する。この状況は電弱精度および直接探索の制約と整合的であり、Run 2のデータにおけるフォトンの角度分布が、この連鎖崩壊メカニズムとより単純な共鳴状態を区別できる可能性がある。

ABSTRACT

We consider a Kaluza-Klein (KK) graviton interpretation of the diphoton excesses observed recently at the LHC. The radion, the modulus of extra dimension, appears naturally light due to classical scale invariance in this scenario. Thus, due to the presence of a sizable wavefunction overlap in the extra dimension between the KK graviton and the radion, the KK graviton can decay largely into a pair of radions, each of which decays into a pair of collimated photons, the so called photon-jet. We discuss the photon-jet scenario in setups with warped extra dimension that are consistent with current limits from direct searches and electroweak precision data. One scenario is with suppressed couplings of the KK graviton to the Higgs and fermions, and another scenario is a holographic composite Higgs model with large couplings of the KK graviton to Higgs and top quark included. We discuss the bounds on the light radion and the possibility of distinguishing the photon-jet scenario with the angular distributions of photons in the LHC Run 2.

研究の動機と目的

• 歪んだ余次元におけるカルラツォ＝クライン重力子と軽いラディオンを含む連鎖崩壊メカニズムを通じて、LHCで観測されたダイフォトン共鳴状態を説明すること。
• 現在の直接探索および電弱精度観測量からの実験的制約と整合的であることを保証すること。
• 2つの異なる状況を検討すること：1つはヒッグスおよびフェルミオンへの結合が抑制されたもの、もう1つは結合が強化されたホログラフィックなコンpositeヒッグスモデルに基づくもの。
• 特にフォトンの角度分布のような観測可能なシグネチャを特定し、この連鎖崩壊シナリオがダイフォトン過剰の他の説明と区別できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 古典的スケール不変性を有する歪んだ余次元フレームワークを用い、コンact化された次元のモジュラスとして自然に軽いラディオンを生成する。
• 余次元内での波動関数の重なりにより、KK重力子がラディオンに強く結合することをモデル化し、ラディオン対への主要崩壊を可能にする。
• 崩壊チェーンを分析する：KK重力子 → ラディオン + ラディオン、その後各ラディオンが一様に凝集したフォトンのペア（フォトン・ジェット）に崩壊する。
• 電弱精度データおよび直接LHC探索からの制約を適用し、軽いラディオンおよびKK重力子の許容可能なパラメータ空間を制限する。
• 2つの異なるUV完成化を検討する：1つは標準模型場への結合が抑制されたもの、もう1つはホログラフィックなコンポジットヒッグス構造におけるヒッグスおよびトップクォークへの大きな結合を有するもの。
• フォトン・ジェット内におけるフォトンの角度分布を、このシナリオと直接的なダイフォトン共鳴状態への崩壊を区別するための主要な観測量として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCで観測されたダイフォトン共鳴状態は、KK重力子が2つのラディオンに連鎖崩壊し、それぞれがフォトン・ジェットに崩壊することで説明可能か？
• RQ2 電弱精度データおよび直接LHC探索からの制約は、このモデルにおける軽いラディオンおよびKK重力子のパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ3 ヒッグスおよびフェルミオンへの結合が抑制されたシナリオと、結合が強化されたホログラフィックなコンポジットヒッグスモデルとの間には、どのような物性的差異があるか？
• RQ4 LHC Run 2のデータにおけるフォトン・ジェット内フォトンの角度分布は、この連鎖崩壊メカニズムと直接共鳴状態がダイフォトンに崩壊するシナリオを区別できるか？

主な発見

• 古典的スケール不変性を有する歪んだ余次元において、自然に軽いラディオンが生成され、KK重力子とラディオンの間で顕著な波動関数の重なりが実現される。
• KK重力子の主要崩壊モードは2つのラディオンへの崩壊であり、それぞれがその後一様に凝集したフォトンのペア（フォトン・ジェット）に崩壊する。
• 特にヒッグスおよびフェルミオンへの結合が抑制された場合、このシナリオは現在のLHC直接探索限界および電弱精度データと整合的である。
• ホログラフィックなコンポジットヒッグスモデルでは、ラディオンが軽く、KK重力子が重い限り、ヒッグスおよびトップクォークへの大きな結合が制約を破らずに許容される。
• フォトン・ジェット内フォトンの角度分布は、この連鎖崩壊モデルと直接的なダイフォトン共鳴状態への崩壊を区別するための特徴的なシグネチャを提供する。
• このモデルは、既存の実験的制約の範囲内でダイフォトン過剰の妥当な説明を提供し、フォトンの角度相関におけるテスト可能な予測を有する。