[論文レビュー] Diphoton Excess in Consistent Supersymmetric SU(5) Models with Vector-like Particles

Bhaskar Dutta, Yu Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 127被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、2015年のLHCで観測された750 GeVの二光子共鳴を説明するため、ベクトルリッチな多重生成子を備えた超対称的SU(5)のグランド統一模型を提案する。(5, 5̄)および(10, 10̄)表現に属するベクトルリッチフェルミオンを導入することで、スケール不変なスカラーモードが生成され、ループ誘導過程を経て二光子に崩壊する。このモデルは、約45 GeVの広い共鳴幅を満たしつつ、二ジェット制約を満たし、ゲージ結合定数の統一性を保つことができる。

ABSTRACT

We consider the diphoton resonance at the 13 TeV LHC in the context of SU(5) grand unification. A leading candidate to explain this resonance is a standard model singlet scalar decaying to a pair of photon by means of vector-like fermionic loops. We demonstrate the effect of the vector-like multiplets (5, 5 bar) and (10, 10 bar) on the evolution of the gauge couplings and perturbatively evaluate the weak scale values of the new couplings and masses run down from the unification scale. We use these masses and couplings to explain the diphoton resonance after considering the new dijet constraints. We show how to accommodate the larger decay width of the resonance particle, which seems to be preferred by the experimental data. In addition, we consider new couplings relating various components of (5, 5 bar) and (10, 10 bar) in the context of the orbifold GUTs, where the resonance scalar can be a part of the new vector-like lepton doublets. We also calculate the Higgs mass and proton decay rate to positron and neutral pion in the context of SU(5) grand unification, including effects of the new vector-like multiplets.

研究の動機と目的

• 13 TeVのLHCデータで観測された750 GeVの二光子共鳴を、一貫性のある超対称的SU(5)GUTフレームワークを用いて説明すること。
• ゲージ結合定数の統一性と異常キャンセレーションを保つ(5, 5̄)および(10, 10̄)表現のベクトルリッチ多重生成子を組み込むこと。
• 観測された共鳴幅（約45 GeV）をLHCの厳密な二ジェット制約と両立させること。
• SU(5)GUTにおけるヒッグス質量および陽子崩壊率に及ぼす新しいベクトルリッチ粒子の影響を評価すること。
• 二光子散乱における共鳴幅および質量ギャップの異なる状況を評価する統計的手法を開発すること。

提案手法

• ゲージ結合定数をGUTスケールから弱いスケールまで、ベクトルリッチ多重生成子の寄与を含めて、重正化群方程式を用いて進化させる。
• ベクトルリッチフェルミオンのループを介した、標準模型スカラーモードのループ誘導的二光子崩壊断面積を計算し、観測された断面積（約3–13 fb）に一致させる。
• スイングリノおよびヒッグジノを含む追加の崩壊チャネルを導入することで、共鳴幅を約45 GeVにまで拡大し、モノジェットや二ジェット制約に違反しないようにする。
• オービフォールドGUTにおいて、ベクトルリッチレプトンダブルットのニュートラル成分（5, 5̄または10, 10̄から来るもの）が二光子共鳴を媒介する新しい相互作用項を構築し、R対称性を保つ。
• 狭い共鳴付近のビニング効果を考慮して、データが異なる共鳴幅および質量ギャップ状況をどれほど好むかを比較する統計的フレームワークを適用する。
• 陽子崩壊率p → e⁺π⁰を計算し、ベクトルリッチ多重生成子による新しい寄与のおかげで増大し、ハイパーカミオカンデで観測可能になる可能性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトルリッチ多重生成子を備えた超対称的SU(5)GUTは、2015年のLHCデータで観測された750 GeVの二光子共鳴を説明できるか？
• RQ2 厳しいLHCの二ジェット制約を満たしつつ、広い共鳴幅（約45 GeV）をどのように達成できるか？
• RQ3 ベクトルリッチ多重生成子は、ゲージ結合定数の統一性および電弱スケールのヒッグス質量にどのような影響を与えるか？
• RQ4 オービフォールドGUTの枠組みにおいて、R対称性を破らずに、ベクトルリッチレプトンダブルットの成分が共鳴を媒介できるか？
• RQ5 二光子散乱において、共鳴幅および質量ギャップの異なる設定に対するデータの統計的好みをどのように定量化できるか？

主な発見

• モデルは、(5, 5̄)および(10, 10̄)多重生成子に属するベクトルリッチフェルミオンのループを介して、750 GeVのスカラーモードが二光子に崩壊する過程により、二光子過剰をうまく説明できる。
• スイングリノへの崩壊モードを導入し、それがその後ヒッグジノに崩壊することで、共鳴幅を約45 GeVにまで拡大でき、モノジェットおよび二ジェット制約を回避できる。
• (5, 5̄)多重生成子を3つ、(10, 10̄)を1つ含めることで、ゲージ結合定数の統一性が保たれ、共鳴の自然な説明が可能になる。
• 陽子崩壊率p → e⁺π⁰は、ベクトルリッチ粒子による新しい寄与のおかげで増大し、ハイパーカミオカンデで観測可能になる可能性がある。
• 共鳴幅および質量ギャップの異なる状況に対するデータの好みを比較する統計的手法が開発され、狭い共鳴付近のビニング効果に起因する課題に対処した。
• 10 5̄ 5̄相互作用における反対称的結合構造のおかげで、1つのL₅ダブルットとMSSMレプトンダブルットの混合により、2つの隣接する共鳴が自然に実現可能となる。