[論文レビュー] Enhanced color gauge invariance and a new di-photon state at the LHC

Stephon Alexander, Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された750 GeVの二光子共鳴状態が、SU(3)色ゲージ対称性を拡張したSL(3,C)ゲージ対称性に由来する2つの重いグルーオンのカラーチャージゼロの束縛状態であると提案している。この理論では、内部計量を動的自由度として導入し、SL(3,C)をSU(3)に自発的対称性の破れさせ、Eボソンに質量を与える。この枠組みは自然にEパリティ保存を強制し、重いグルーオンの対生成を要求し、クォークに次元5のカップリングを生じさせ、二光子への崩壊を可能にしながら、グルーオン融合および崩壊断面積の実験的制限と整合する。

ABSTRACT

We propose to interpret the possible resonance seen in di-photons at the LHC at 750 Gev as a bound state of a new pair of heavy gluons associated with an enhanced color gauge invariance. These have a conservation law which enforces their production and decay in pairs and hence requires that the leading coupling to quarks is quadratically through a dimension 5 operator. One way to realize these hypotheses is if the SU(3) color gauge invariance is enhanced to SL(3, C), while at the same time promoting the internal metric, which picks out what is a unitary transformation, to a dynamical degree of freedom. This theory was first proposed by Cahill[3], Dell[4], Kim and Zee[5], and Julia and Luciani[6]. The dynamical internal metric spontaneously breaks SL(3,C) to SU(3) giving a mass to the vector bosons associated with the generators in SL(3,C)/SU(3). The coupling to the internal metric also ensures that the energy is bounded from below. The new state is produced by gluon fusion and decays to a pair of photons via a direct coupling to a new set of vector quarks allowed by the symmetries.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理状態として、LHCデータで観測された750 GeVの二光子共鳴状態を説明すること。
• 幅が広く、二光子への崩壊断面積が大きいにもかかわらず、主要なグルーオン崩壊モードが抑制されるという課題を説明すること。
• 動的内部計量を伴う拡張されたSL(3,C)色ゲージ不変性に基づく一貫した理論的枠組みを提示し、ハミルトニアンの安定化と自発的対称性の破れを可能にすること。
• 共鳴状態がクォークと次元5の演算子を通じてのみカップルされることを保証し、Eパリティ保存と観測された部分断面積と整合すること。
• 現在のLHCの制約、特に4.4 TeVのベクトルクォーク質量下限とグルーオン融合断面積の上限を踏まえて、このモデルの妥当性を検討すること。

提案手法

• 内部計量qを動的自由度として扱い、SU(3)色ゲージ対称性をSL(3,C)に拡張する。
• 内部計量を介してSL(3,C)をSU(3)に自発的対称性の破れさせ、SL(3,C)/SU(3)コセットに属するEボソンに質量Mを与える。
• Eパリティ対称性を導入し、単一のEボソン状態を禁止し、対生成／対消滅を強制することで、共鳴状態が2つのEボソンの束縛状態であることを保証する。
• Eボソンとベクトルクォークの相互作用から生じるEパリティを保存する演算子を用い、共鳴状態とクォークの次元5カップリングを構成する。
• 動的内部計量を用いてハミルトニアンが下から有界であることを保証し、非コンパクトなSL(3,C)理論における不安定性を回避する。
• カップリング定数が(g² + f²)²とαₛ³に比例するように、S → γγおよびS → ggの崩壊断面積を計算し、LHCデータと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子共鳴状態は、拡張されたSL(3,C)ゲージ対称性に由来する2つの重いグルーオンの束縛状態として説明可能か？
• RQ2 SL(3,C)ゲージ理論に動的内部計量を導入することで、ヒッグス場なしに自発的対称性の破れとEボソンの質量生成を一貫して実現できるか？
• RQ3 SL(3,C)/SU(3)の構造に由来するEパリティ保存は、共鳴状態のクォークへのカップリングをどのように制限し、主要なグルーオン崩壊モードを抑制するか？
• RQ4 観測された二光子崩壊断面積（約5 fb）は、このモデルにおけるベクトルクォークへのカップリング強度とグルーオン崩壊の抑制要件と整合するか？
• RQ5 特に4.4 TeVのベクトルクォーク質量下限とグルーオン融合断面積の上限を踏まえて、このモデルは現在のLHCの制約に耐えうるか？

主な発見

• 次元無次元カップリング定数が1程度の条件下で、モデルは観測された約5 fbの二光子崩壊断面積と整合する予測を示す。
• 二光子崩壊断面積とグルーオン崩壊断面積の比R = Γ(S→γγ)/Γ(S→gg)は200分の1を超えると推定され、実験的制限と整合する。
• 必要なベクトルクォーク質量スケールm_qはm_q/M > 12を満たす必要があり、モデルはm_q/M > 20を許容するため、4.4 TeVのベクトルクォーク質量下限と整合する。
• 共鳴状態の幅は約0.5 MeVと推定され、750 GeVピークの観測された狭い幅と整合する。
• Eパリティにより自然に次元5のクォークカップリングが強制され、クォークへのループ階層のカップリングが抑制され、共鳴状態がグルーオン融合によって生成されることを保証する。
• 動的内部計量のおかげでハミルトニアンが下から有界であることが保証され、非コンパクトゲージ理論における潜在的な不安定性が解消される。