[論文レビュー] Diboson Excesses Demystified in Effective Field Theory Approach

Doojin Kim, Kyoungchul Kong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、有効場理論（EFT）的手法を用いて、2 TeV付近のATLAS二ボソン過剰現象が単一の中性共鳴状態に起因する可能性を調査する。スピン0、スピン1、スピン2の共鳴状態をCP対称性（偶）およびCP非対称性（奇）の両方で検討し、CP奇性スピン2を除くすべての状況が、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$、$h\gamma$などのチャネルに追加の信号を予測するが、これらはLHCランIIでテスト可能であることが示された。

ABSTRACT

We study the collider implication of a neutral resonance which decays to several diboson final states such as $W^+W^-$, $ZZ$, and $Zγ$ via a minimal set of effective operators. We consider both CP-even and CP-odd bosonic states with spin 0, 1, or 2. The production cross sections for the bosonic resonance states are obtained with the effective operators involving gluons (and quarks), and the branching fractions are obtained with the operators responsible for the interactions with electroweak gauge bosons. We demonstrate that each scenario allows for a broad parameter space which could accommodate the recently-reported intriguing excesses in the ATLAS diboson final states, and discuss how the CP states and spin information of the resonance can be extracted at the LHC run II.

研究の動機と目的

• 2 TeV付近の$W^+W^-$、$W^\pm Z$、$ZZ$最終状態におけるATLAS二ボソン過剰現象を、二つの重い状態を必要としない単一の中性共鳴状態で説明すること。
• 観測された過剰現象を、スピンおよびCP量子数の異なる状況にわたって記述できる最小限の有効オペレーター集合が存在するかを調査すること。
• 特に$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$、$h\gamma$などの追加の最終状態におけるモデルに依存しない予測を同定し、LHCで共鳴状態の種別を区別するためのテストが可能であるようにすること。
• ユニタリティおよび崩壊幅の制約を含む実験的制約のもとで、各共鳴状態（スピン0、1、2；CP偶性／奇性）の妥当性を評価すること。
• 今後のLHCランIIでの実験的解析を支援する、スピンおよびCP量子数に敏感な運動量観測量を提供すること。

提案手法

• 新規共鳴状態がグルーオン（生成）および電弱ゲージボソン（崩壊）と結合する最小限の次元6オペレーターを用いた有効場理論（EFT）フレームワークを採用する。
• スピン（0、1、2）およびCP性質（偶または奇）で共鳴状態を分類し、場強度テンソルおよび双対テンソルを用いて各ケースの相互作用ラグランジアンを構築する。
• $G_{\mu\nu}^a G^{a\mu\nu}$および$F_{\mu\nu}^Y F^{Y\mu\nu}$などの有効オペレーターを用いて、グルーオン融合およびクォーク反クォーク対消滅による生成断面積を計算する。
• ローレンツ不変行列要素から導かれた解析的公式を用いて部分崩壊幅を計算し、スカラー、ピロメトリック、テンソル共鳴状態のための相空間関数${\cal F}$、${\cal G}$、${\cal H}$を用いる。
• 結合定数および共鳴状態質量のパラメータースキャンを実施し、観測されたATLAS過剰現象および既存のLHC制約を満たす領域を同定する。
• スピンおよびCP量子数の識別に有用な運動量分布（例えば、インバリアント質量、角度相関）を提案し、データにおける共鳴状態の種別を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン0、1、または2で、さまざまなCP性質を持つ単一の中性共鳴状態が、約2 TeVにおける$W^+W^-$、$W^\pm Z$、$ZZ$最終状態の同時二ボソン過剰現象を説明できるか？
• RQ2 ユニタリティ、フレーバー変換中性カラーバランス（FCNC）制約、およびLHCの制限を満たす条件下で、共鳴状態のどのスピンおよびCP配置が妥当か？
• RQ3 各共鳴状態のシナリオが予測する追加の崩壊チャネル（例：$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$、$h\gamma$）は何か？ そして、それらはモデルのテストにどのように利用できるか？
• RQ4 最終状態粒子間の運動量相関は、共鳴状態のスピンおよびCP量子数を特定するのにどのように役立つか？
• RQ5 CP奇性スピン2共鳴状態は、生成メカニズムが著しく抑制されているため除外されるのか？ もしそうならば、その理由は何か？

主な発見

• スピン0、スピン1、およびCP偶性スピン2共鳴状態のすべてのシナリオが、有効場理論フレームワーク内で既存の制約に反しない範囲でATLAS二ボソン過剰現象を説明可能である。
• CP奇性スピン2共鳴状態は、グルーオン融合またはクォーク反クォーク対消滅による生成が著しく抑制されているため、観測された信号率と整合しない。
• CP奇性ベクトル共鳴状態はユニタリティ境界との潜在的矛盾を示しており、2 TeVスケールでは物理的でない可能性がある。
• CP偶性スカラーおよびCP偶性テンソル共鳴状態は、$Z\gamma$および$\gamma\gamma$最終状態に観測可能な信号を予測しており、LHCランIIで探査可能である。
• ベクトル共鳴状態は、$hZ$および$h\gamma$最終状態に従属的だが測定可能な信号を予測しており、追加の実験的アプローチを提供する。
• インバリアント質量や崩壊生成物間の角度相関などの運動量分布は、共鳴状態のスピンおよびCP量子数に敏感であり、モデル間の区別に有効である。