[論文レビュー] Hypercharge Axion and the Diphoton $750$ GeV Resonance

Ido Ben-Dayan, Ram Brustein|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、LHCラン2で観測された750 GeVの二光子共鳴に対して、超電荷ゲージ場のストレングステンソルに結合するハイパーチャージ・アキソン（HCA）を提示し、ウィーンベルグ角のおかげで主に二光子に崩壊する最小限の説明を提案する。モデルは結合スケールM ~ TeVで観測されたイベントレートを適合させるが、報告された幅（約45 GeV）と断面積の間に矛盾が生じており、測定値よりも幅が狭いか、生産率が高い可能性を示唆している。

ABSTRACT

The CMS and ATLAS reports on a possible excess of diphoton events at $750$ GeV are the cause of great excitement and hope. We show that a pseudoscalar axion coupled to the topological density of hypercharge, suggested in the past by Brustein and Oaknin as a candidate for inducing baryogenesis, can explain the signal in the diphoton channel. The hypercharge axion (HCA) can also decay to $Zγ$ and $ZZ$. The expected number of events in these channels is too small to have been detected, but such decays should be observed in the future. The HCA can be produced via vector boson fusion (VBF) or via associated production (AP). The latter should be manifested by a characteristic decay to 3 photons which should be observed soon. We adapt the previous analysis of possible detection of the HCA at the LHC by Brustein and Oaknin and by Elfgren to the case that the mass of the HCA is 750 GeV and find the expected cross section and decay width in terms of the HCA coupling. We find that the expected cross-section fits well the observed number of excess events and that there is tension between the measured cross-section and the reported partial decay width. The tension is caused because for both VBF and AP the production cross-section and the decay width depend linearly on each other. We therefore expect that if the new resonance is indeed the HCA, either its width should be significantly smaller than the reported width or the production cross-section should be significantly higher than the reported one.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSのデータで観測された750 GeVの二光子共鳴を、標準模型の最小限の拡張によって説明すること。
• 測定された二光子断面積と報告された部分幅の間の矛盾を解消すること。
• ハイパーチャージ・アキソン（HCA）が信号を説明しつつ、ランIの制約や他の崩壊モードと整合的であるかを検証すること。
• 関連生成（AP）およびベクトルボソン融合（VBF）チャンネルにおける観測可能なシグネチャ、特に三光子最終状態を予測すること。
• HCAモデルが既存のLHCデータと整合し、今後の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 効用場理論を用い、擬スカラー単一状態をハイパーチャージトポロジカル密度に結合させ、HCA生成および崩壊の既存分析を750 GeV共鳴質量に適応する。
• ベクトルボソン融合（VBF）および関連生成（AP）チャンネルを通じた断面積を計算し、両者ともHCA結合定数に線形に依存することを示す。
• ウィーンベルグ角を用いてγγ、Zγ、ZZモードへの崩壊幅を導出し、ハイパーチャージ異常キャンセレーションのおかげでγγが支配的になるようにする。
• 断面積と幅の関係（両者とも同じ結合パラメータMに比例）を用い、実験データとの整合性をテストする。
• 三光子最終状態における期待される信号対背景比を評価し、(1 + cos²θγ)の角度分布を活用してQEDバックグラウンドと区別する。
• Zボソン崩壊モードの検出には高出力LHC運用が必要であり、これはハイパーチャージへの結合を確認する手がかりとなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーチャージ・アキソン（HCA）は、追加の新しい粒子を導入せずに750 GeVの二光子過剰を説明できるか？
• RQ2 なぜ二光子信号は観測されたが、ZγやZZチャンネルには顕著な信号が観測されなかったのか？HCAモデルはこの現象を説明できるか？
• RQ3 測定された断面積と、共鳴子の部分幅約45 GeVの報告値との整合性はいかがなものか？
• RQ4 しきい値抑制およびパートン分布関数の効果を考慮しても、ランIでは信号が観測されずラン2で過剰が現れたという事実を、HCAモデルは説明できるか？
• RQ5 特に三光子最終状態やフォワードジェットを含む、LHCでHCAモデルを確認するための主要な実験的シグネチャは何か？

主な発見

• 質量750 GeV、結合スケールM ~ TeVのHCAモデルは、観測された二光子イベントレートを再現でき、σ × BR(γγ) ≈ 9 fb (TeV/M)²とならず、実験的推定値（約7 ± 5 fb）と整合的である。
• 報告された幅（ATLASによるΓ ≈ 45 GeV）と測定された断面積との間に矛盾が生じる。両者とも同じ結合パラメータMに線形に依存するためである。
• ATLASの幅推定値はM ≈ 215 GeVを要し、CMSの好ましい幅（約20 GeV）はM ≈ 320 GeVを要するが、両者とも断面積を適合させるために必要なTeVスケールのMとは整合しない。
• 著者らは、今後のデータで幅が数GeV程度に狭まるものと予想しており、その結果、矛盾が解消され、理論的により妥当なモデルになると予想している。
• 関連生成チャンネル（AP）は、等方的な角度分布を持つ特徴的な三光子最終状態を生成すると予測され、確認のための重要なシグネチャとなる。
• VBFチャンネルでは、初期状態のパートンから発生するフォワードジェットの検出が求められ、これはHCAを標準模型QEDバックグラウンドと区別する補足的シグネチャを提供する。