[論文レビュー] Diphoton excess at 750 GeV in an extended scalar sector

Shinya Kanemura, Naoki Machida+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 38

ひとこと要約

本稿では、次元5のオペレーターを介してトップクォークと結合する750 GeVのシングレットスカラー bosonと、多重に電荷を帯びたスカラー bosonのループを通じて二光子に崩壊する、標準模型の最小限の拡張を提案する。このモデルは、摂動的ユニタリティや電荷非保存を破らない範囲で、LHCランIIでの観測された二光子過剰を説明し、信号断面積は約5–9 fb、幅は約45 GeV、γγ崩壊の分支比は0.6–3.5%を達成する。

ABSTRACT

We discuss an extended scalar model which explains the recent results of diphoton excess at 750 GeV at LHC Run II experiments. An additional singlet scalar boson with the mass of 750 GeV, which couples to top quarks via a dimension five operator, is produced via gluon fusion and decays into two photons via loop contributions of a number of (multiply) charged scalar bosons. Origin of such a dimension five operator would be, for example, in the context of composite Higgs models. The excess can be explained without contradicting the data from LHC Run I and also theoretical consistencies such as perturbative unitarity and charge non-breaking.

研究の動機と目的

• LHCランIIのデータにおける最近観測された750 GeVの二光子過剰を、拡張されたスカラー系により説明すること。
• 観測された信号断面積（約5–9 fb）および全幅（約45 GeV）を再現するが、LHCランIのデータと矛盾しないモデルを構築すること。
• 摂動的ユニタリティおよび電荷非保存真空条件を満たすことで理論的整合性を確保すること。
• ループ図を通じて二光子崩壊を媒介する多重電荷を有するスカラー bosonの役割を調査すること。
• 将来のLHC探索に向けた間接的シグネチャー（例えば、電荷を帯びたヒッグス bosonやZγ崩壊など）を同定すること。

提案手法

• 質量750 GeVの実スカラー場Sを導入し、複合ヒッグスに類似したメカニズムに由来する次元5のオペレーターを介してトップクォークと結合させる。
• Sと複数の電荷を帯びたスカラー場との三重項結合を含み、単純化のためデゲネレートした質量とユニバーサルな結合定数を仮定する。
• 有効ラグランジアンとトップクォークのループ寄与を用いて、LHCにおけるSのグルーオン融合生成断面積を計算する。
• 電荷を帯びたスカラー bosonを含むループ図を通じて二光子崩壊幅を計算し、電荷を帯びた状態の数（r）に比例してスケーリングする。
• 摂動的ユニタリティおよび電荷非保存真空安定性からの理論的制約をモデルに課す。
• 95%信頼水準におけるATLASおよびCMSのデータと予測された信号強度および分支比を比較することで、モデルの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元5のオペレーターを介してトップクォークと結合する750 GeVのシングレットスカラー bosonは、LHCランIIで観測された二光子過剰を説明できるか？
• RQ2 摂動的ユニタリティを満たす範囲で、観測された二光子信号強度を達成するために必要な電荷を帯びたスカラー状態の数（r）はどの程度か？
• RQ3 トップクォーク対生成およびヒッグス boson生成に関するLHCランIのデータと、このモデルがどのように矛盾しないか？
• RQ4 このモデルが予測する多重電荷を帯びたスカラー状態の物性的シグネチャーは何か？
• RQ5 このモデルは、放射的ニュートリノ質量生成や強い一次相転移を伴う電弱相転移といった他の現象を説明できるか？

主な発見

• モデルは、95%信頼水準で観測された約5–9 fbの二光子信号断面積を再現し、ATLASおよびCMSのデータと整合的である。
• 750 GeVの共鳴状態の全幅は自然に約45 GeVであり、観測値と一致する。
• S → γγの分支比は、電荷を帯びたスカラー状態の数（r）およびその質量（m±）に依存し、0.6–3.5%に制限される。
• m± = 400 GeVの場合、r = 25, 50, 65は摂動的ユニタリティおよび電荷非保存制約を満たす。
• m± = 600 GeVの場合、同じ理論的制約下でr = 65のみが有効な選択肢となる。
• Sの主要崩壊モードはtt̄であり、その分支比は95%を超えるため、トップクォーク対生成データと矛盾しない。