[論文レビュー] Di-photon resonance around 750 GeV: shedding light on the theory underneath

Joydeep Chakrabortty, Arghya Choudhury+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用数 103

ひとこと要約

本稿は、LHCランIIで観測された750 GeVの二光子共鳴状態を、スピン0の共鳴状態がループ効果によって光子およびグルーオンと結合する簡略化された有効ラグランジアン枠組みで検討する。共鳴状態が広い全幅（約45 GeV）を持つ場合、特に大きなヤコビ係数と特定の量子数を持つフェルミオン的媒介粒子が、スカラーと比較してより妥当であることが判明。また、将来のLHCランで関連するフェルミオン対の生成が検出可能となるパラメータ領域も同定された。

ABSTRACT

Both the ATLAS and CMS collaborations have recently observed an excess in the di-photon invariant mass distribution in the vicinity of 750 GeV with a local significance of $\sim3σ$. In this article we try to investigate this excess in the context of a minimal simplified framework assuming effective interactions of the hinted resonance with photons and gluons. We scrutinise the consistency of this observation with possible accompanying yet hitherto unseen signatures of this resonance. Subsequently, we try to probe the nature of new particles, e.g., spin, electric charge and number of colour, etc., that could remain instrumental to explain this excess through loop-mediation.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSがLHCランIIで観測した750 GeVの二光子共鳴状態の起源を調査すること。
• ループ図を通じて共鳴状態を媒介する可能性のある新しい粒子の量子数（スピン、電荷、色表現）を特定すること。
• 特に二ジェット、$ZZ$、$Z\gamma$チャネルにおける他のLHC探索からの制約と、共鳴状態の整合性を検討すること。
• 観測された二光子断面積を再現し、Brや全幅に関する実験的制約を満たす新しい物理学の妥当なパラメータ空間を同定すること。
• 全幅の異なる仮定のもとで、$gg \to H_X^* \to F\bar{F}$過程における新しいフェルミオン的共鳴状態の検出可能性を評価すること。

提案手法

• $H_X$がグルーオン（$\kappa_g$）および光子（$\kappa_A$）と、$G^{a}_{\mu\nu}G^{\mu\nu}_{a}H_X$および$B_{\mu\nu}B^{\mu\nu}H_X$項を通じて結合する最小限の有効ラグランジアンを構築する。
• $H_X \to \gamma\gamma$および$H_X \to gg$の分支比は、それぞれ$\propto \kappa_A^2 \cos^4\theta_W$および$\propto 8\kappa_g^2$として導出され、位相空間および色因子を考慮する。
• 全幅$\Gamma_X$に依存する、$Br(H_X \to \gamma\gamma)$と$Br(H_X \to gg)$のモデルに依存しない相関関係を導出する。
• フェルミオン的およびスカラー媒介粒子のループ寄与を分析し、結合定数$g_{FFH_X}$および質量$M_F$を変化させて観測された二光子断面積を再現する。
• $\Gamma_X = 1$ GeVおよび$\Gamma_X = 45$ GeVの下で、$M_F$–$g_{FFH_X}$平面における$\sigma(gg \to H_X^* \to F\bar{F})$の生成断面積を評価する。
• LHC探索からの制約を$\kappa_g$および$\kappa_A$に関する制約に翻訳し、異なる媒介粒子タイプの下で得られるパラメータ空間をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ループ図を通じて750 GeVの二光子共鳴状態を媒介する新しい粒子の量子数（スピン、電気的電荷、色表現）は何か？
• RQ2 $Br(H_X \to \gamma\gamma)$と$Br(H_X \to gg)$の分支比はどのように相関し、全幅$\Gamma_X$にどのような制約を課えるか？
• RQ3 なぜ観測された二光子過剰を説明するためにフェルミオン的媒介粒子がスカラー媒介粒子よりも好ましいのか？
• RQ4 将来のLHCランで$gg \to H_X^* \to F\bar{F}$過程が最も検出可能となる条件は何か？
• RQ5 観測された全幅（$\Gamma_X \sim 1$ GeVまたは$45$ GeV）は、新しいフェルミオン結合の妥当なパラメータ空間にどのように影響するか？

主な発見

• 特に全幅$\Gamma_X \sim 45$ GeVの広い共鳴状態の場合、フェルミオン的媒介粒子がスカラーと比較して、観測された二光子過剰を再現する上でより好ましい。
• $\Gamma_X = 45$ GeVの場合、$H_X \to \gamma\gamma$および$H_X \to gg$の分支比の妥当なパラメータ空間は、$M_F$が小さく、$g_{FFH_X}$が大きい領域に制限され、$gg \to H_X^* \to F\bar{F}$生成が強化される。
• $Br(H_X \to \gamma\gamma)$と$Br(H_X \to gg)$の相関関係はモデルに依存しないが、全幅に依存し、$\Gamma_X = 45$ GeVでは$Br^2(\gamma\gamma \times gg) \sim \mathcal{O}(10^{-5})$となる。
• $\Gamma_X = 1$ GeVの狭い全幅の場合は、$g_{FFH_X}$が小さいか$M_F$が大きい場合に断面積が抑制され、$\sigma(gg \to H_X^* \to F\bar{F})$の生成はあまり有望ではない。
• 観測された全幅$\Gamma_X \sim 45$ GeVは、重いフェルミオンによるループ媒介の崩壊と整合的であるが、13 TeVデータからの幅10.6 GeVは観測された断面積とあまり整合的ではない。
• 本研究は、共鳴状態が持続する場合、より広い新物理スケールの最初の兆候であり、まだ発見されていないより重い状態が存在する可能性を示唆している。