[論文レビュー] Di-photon resonance and Dark Matter as heavy pions

Michele Redi, Алессандро Струмиа+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、750 GeVの二光子共鳴状態とダークマター（DM）が、自発的全局対称性の破れを伴うコンfinementゲージ理論における複合的な技術パイオンであると提案する。共鳴状態はCP非対称なθ項を通じてDMに崩壊し、ATLASデータに一致する大きな幅を実現するとともに、熱的なリlic密度として観測されたDMの密度を再現する。モデルはU(1)種類数対称性またはGパリティによって自然にDMの安定性を達成する。

ABSTRACT

We analyse confining gauge theories where the 750 GeV di-photon resonance is a composite techni-pion that undergoes anomalous decays into SM vectors. These scenarios naturally contain accidentally stable techni-pions Dark Matter candidates. The di-photon resonance can acquire a larger width by decaying into Dark Matter through the CP-violating $θ$-term of the new gauge theory reproducing the cosmological Dark Matter density as thermal relic.

研究の動機と目的

• ATLASとCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴状態を、コンfinementゲージ理論における複合的技術パイオンとして説明すること。
• 同じ強い相互作用の枠組み内で自然に安定なダークマター候補を実現すること。
• 大きな共鳴状態の幅を伴う熱的冷凍アウトによって観測されたダークマターの残存密度を再現すること。
• 種類数対称性またはGパリティといったメカニズムを同定し、微調整を必要としない長寿命な技術パイオンDMを保証すること。

提案手法

• 技術パイオンが標準模型（SM）ゲージボソンに異常誘導された結合を示すように、Wess-Zumino-Witten項を含む有効なカイラルラグランジアンを構築する。
• 2種類の技術クォーク（X₁, X₂）またはその複素共役（X, X̃）の表現を用いて、偶然的な全局対称性を生成するモデルを構築する。
• 強い相互作用にCP非対称なθ項を導入し、二光子共鳴状態とDM技術パイオンの間の三重項結合を生成する。
• 質量の階層的で大きな差（m_U ≫ m_N₁, m_N₂）の極限においてダッシュェン方程式を解き、質量分裂と混合角を計算する。
• θ項を用いて、750 GeVの共鳴状態がDMペアに崩壊可能な三重項相互作用を生成し、大きな幅を実現する。
• 安定な技術パイオンDMの熱的残存密度を計算し、直接検出およびコライダーのシグネチャによる制約を加える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子共鳴状態は、SMのベクトル場およびDMへの異常崩壊を伴う複合的技術パイオンとして説明可能か？
• RQ2 この複合ヒッグスに類似たモデルにおいて、観測された大きな幅（Γ ≈ 0.06M_γγ）を自然に達成できるか？
• RQ3 どのような対称性が微調整を必要とせず、技術パイオンDM候補の安定性を保証するか？
• RQ4 この枠組みにおいて、宇宙論的ダークマター密度が熱的リlicとして再現可能か？
• RQ5 直接検出、コライダー探索、およびθ項に起因するCP非対称相互作用からの物理的制約は何か？

主な発見

• 750 GeVの二光子共鳴状態は、Wess-Zumino-Witten項を介したSMゲージボソンへの異常結合を持つ複合的技術パイオンとして特定され、崩壊率は異常係数によって固定される。
• 強い相互作用にCP非対称なθ項を導入することで、共鳴状態とDM技術パイオンの間の三重項結合が生成され、大きな幅Γ_γγ ≈ 0.06M_γγが実現される。
• 種類数モデルでは、中性技術パイオンη₊ = X₁X̄₁ + X₂X̄₂はU(1)₁ ⊗ U(1)₂対称性により安定であり、Π = X₁X̄₂も同様に安定である。
• Gパリティモデルでは、最小のG奇性状態ηがDM候補として安定であり、離散的対称性によって安定性が保証される。
• DM質量が350 GeVの場合、技術クォークの質量はm_N₁,₂ ≈ 60 GeV、m_U ≈ 700 GeVと推定され、コンfinementスケールが約1 TeVであると仮定する。
• 質量分裂が小さいデゲネレート極限において、DM技術パイオンの物理的質量はm_Π,η₂² ≈ m_Π,η₂²(θ=0) cos(θ_TC/2)であり、CP非対称結合はm_Π,η₂² tan(θ_TC/2)に比例する。