[論文レビュー] Diphoton excess at the LHC Run 2 and its implications for a new heavy gauge boson

Kunio Kaneta, Subeom Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 129被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、LHCラン2で観測された750 GeVのダイフォトン過剰現象が、ゲージ化されたB-L対称性を介して、TeVスケールのZ'ゲージボソンの存在を示唆する新しいスカラーボソンである可能性を提案している。著者らは、このモデルにおけるゲージカップリングの統一が、LHCラン2の探査範囲内に収まる質量とカップリングを持つZ'を予測することを示しており、スカラーとともにZ'の実現可能な発見チャネルを提供する。

ABSTRACT

There is a rapidly growing interest in the diphoton excess around 750 GeV reported by both ATLAS and CMS collaborations during the LHC Run 2 experiments. One of the most natural explanations of this excess could be a new scalar boson with exotic colored particles. In this setup, it is legitimate to ask what is the role of this new scalar in nature. A heavy neutral gauge boson ($Z'$) is one of the traditional targets of the discovery at the collider experiments with numerous motivations. While Landau-Yang theorem dictates the newly reported diphoton excess cannot be this spin-1 gauge boson, there is a strong correlation of a new heavy gauge boson and a new scalar boson which provides a mass to the gauge boson being at the same mass scale. In this paper, we point out a simple fact a new scalar of 750 GeV would suggest an existence of a TeV scale $Z'$ gauge boson that might be within the reach of the LHC Run 2 experiments. We take a scenario of the well-motivated and popular gauged $B-L$ symmetry and require the gauge coupling unification to predict the mass and other properties of the $Z'$ and illustrate the discovery of the $Z'$ is likely to occur during the LHC experiments.

研究の動機と目的

• 750 GeVのダイフォトン過剰現象が標準模型を超える新しい物理学に与える影響を調査すること。
• 750 GeVに位置する新しいスカラーボソンが、重いZ'ゲージボソンの存在を示唆するかどうかを調査すること。
• 魅力的なB-L対称性モデルにおけるゲージカップリングの統一が、そのような状況と整合するかを検討すること。
• 統一の要請とスカラーの性質に基づいて、Z'ボソンの質量とカップリングを予測すること。

提案手法

• ゲージ化されたB-L対称性を仮定し、対応するZ'ゲージボソンを有する新しいU(1)_{B-L}ゲージ群を導入する。
• 750 GeVのスカラーボソンは、B-L対称性を破り、Z'ボソンに質量を与えるヒッグス的状態として導入される。
• モデルは、Z'の質量とゲージカップリングを制約するために、正規化群方程式を用いてゲージカップリングの統一を要請する。
• スカラーのダイフォトン衰え率は、電荷を帯びた奇妙な色を持つ粒子のループ図を介して計算される。
• LHCにおけるZ'の発生断面積と崩壊分岐比を評価し、その検出可能性を評価する。
• 予測された率とATLASおよびCMSのデータを比較することで、モデルが観測されたダイフォトン過剰現象と整合するかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVのダイフォトン過剰現象は、同時にTeVスケールのZ'ボソンを示唆する新しいスカラーボソンによって説明可能か？
• RQ2 B-L対称性モデルにおけるゲージカップリングの統一が、Z'ボソンの質量とカップリングに与える影響は何か？
• RQ3 このモデルが予測するZ'ボソンは、LHCラン2実験の探査範囲内にあるか？
• RQ4 奇妙な色を持つ粒子は、750 GeVのスカラーのダイフォトン衰えにどのように寄与するか？
• RQ5 ランダウ＝ヤンの定理は、ダイフォトン共鳴状態のスピン-1性質にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 750 GeVのダイフォトン過剰現象は、LHCラン2実験の探査範囲内にあるTeVスケールのZ'ゲージボソンの存在を示唆する。
• B-Lモデルにおいて、ゲージカップリングの統一は、Z'質量が約1.5–2 TeVであると予測しており、スカラーの質量スケールと整合的である。
• Z'ボソンはクォークおよびレプトンに対して顕著なカップリングを持つと予測され、Drell-Yanおよびベクトルボソン融合過程による検出信号を可能にする。
• スカラーのダイフォトン衰え率は、奇妙な色を持つ粒子のループによって媒介され、LHCの制約を避けるために十分に重くなければならない。
• モデルは、30–100 fb⁻¹の統合放射能を持つLHCにおいて、Z'ボソンが二レプトンまたは二ジェットに崩壊する経路を通じて発見可能であると予測する。
• スカラー（スピン-0）がダイフォトン信号を担うのに対し、Z'（スピン-1）が担わないことから、モデルはランダウ＝ヤンの定理と整合的である。