[論文レビュー] Heavy Leptonium as the Origin of the 750 GeV Diphoton Excess

Neil D. Barrie, Archil Kobakhidze+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、初期LHCラン2での750 GeVの二光子過剰現象が、ハイパーチャージ $ Y_L \approx 4.8-7.2 $ の重いベクトル励起レプトンのスカラー反対称レプトンイウム束縛状態によって生じると提案している。この状態は主に光子-光子融合によって生成され、二つの光子に崩壊する。このモデルは、スピン1の対称レプトンイウム状態を予測しており、これは $ W^+W^- $、フェルミオン対、および三つの光子に崩壊する。この状態の二レプトン崩壊は、決定的な実験的証明となる。

ABSTRACT

We propose a hypothetical heavy leptonium, the scalar bound state of an exotic lepton-antilepton pair, as a candidate for the recent 750 GeV resonance in the early LHC Run 2 data. Such a para-leptonium is dominantly produced via photon-photon fusion at the LHC and decays into a photon pair with a significant branching fraction. In addition, our model predicts a companion spin-1 ortho-leptonium bound state, which can decay to $W^+W^-$, $f\bar{f}$ and three photons. Under the LHC and the electroweak precision observables bounds, we find that the observed excess of 750 GeV diphoton events can be explained within $2σ$ accuracy for $Y_{L} \approx 4.8 - 7.2$ for the minimal case in our scenario. The observation of the ortho-leptonium in the dilepton channel will be the smoking gun for our scenario.

研究の動機と目的

• 初期LHCラン2での750 GeVの二光子過剰現象を新たな理論的枠組みで説明すること。
• 電磁的二光子信号の原因であるスカラー反対称レプトンイウム束縛状態を、ベクトル励起レプトンのものとして同定すること。
• 電弱精度観測量と、Exotic状態に関するLHCの制約と整合性を保つこと。
• 実験的検証のための特徴的な崩壊チャネルを有する、スピン1の対称レプトンイウム状態の予測を行うこと。

提案手法

• ハイパーチャージ $ Y_L $ を持つベクトル励起、弱アイソスピンノードのレプトンをモデル化し、非相対論的量子力学を用いてスカラー反対称レプトンイウムを形成する。
• クーロンポテンシャル $ V(r) = -Y_L^2\alpha / r $ を用いたシュレーディンガー方程式を用いて、反対称レプトンイウム状態の結合エネルギーと質量を計算する。
• 行列要素と原点における波動関数の二乗 $ |\psi_{\text{para}}(0)|^2 $ を用いて、$ \gamma\gamma \to \psi_{\text{para}} \to \gamma\gamma $ の光子生成断面積を計算する。
• 消滅振幅と $ |\psi_{\text{para}}(0)|^2 $ を用いて、崩壊幅 $ \Gamma_{\psi_{\text{para}} \to \gamma\gamma} $ を評価し、LHCデータからの制約を受ける。
• 結合エネルギーの相対論的ブライト補正を含めることで、質量予測の精度を向上させる。
• LHCの二レプトン探索と電弱精度観測量からの制約を評価し、全幅が最大45 GeVまで許容されることで制約を緩和できることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Exoticなベクトル励起レプトンの重いスカラー反対称レプトンイウム束縛状態は、LHCにおける750 GeVの二光子過剰現象を説明できるか？
• RQ2 反対称レプトンイウムが観測された二光子断面積を $ 2\sigma $ 範囲内で再現するには、どのハイパーチャージ $ Y_L $ 必要か？
• RQ3 このモデルは、二レプトンまたは三光子最終状態で検出可能なスピン1の対称レプトンイウム状態を予測するか？
• RQ4 電弱精度観測量とLHCのExotic電荷粒子探索からの制約は、許容可能なパrameter空間にどのような影響を与えるか？
• RQ5 反対称レプトンイウムが見えない崩壊により大きな全幅を持つ場合、モデルはLHCデータと整合性を保てるか？

主な発見

• 750 GeVの二光子過剰現象は、$ Y_L \approx 4.8-7.2 $ の範囲で $ 2\sigma $ の精度で説明可能であり、最小ケースでは $ Y_L \approx 4.8-5.4 $ が好ましい。
• この $ Y_L $ 範囲において、レプトン質量は $ m_L \approx 375-385 $ GeV の範囲に予測される。
• $ Y_L \approx 4.8-7.2 $ のとき、13 TeV LHCにおける観測された二光子率と整合する光子生成断面積が得られる。
• このモデルは、$ W^+W^- $、$ f\bar{f} $、および三光子に崩壊するスピン1の対称レプトンイウム状態を予測しており、決定的なシグネチャを提供する。
• 反対称レプトンイウムの全幅が最大45 GeVまで許容される場合、LHCの二レプトン探索からの制約は緩和され、ATLASデータと整合的である。
• 対称レプトンイウムが二レプトンチャンネルで観測されれば、モデルの決定的かつ明確な確認が得られる。