[論文レビュー] Implications of Gauge Invariance on a Heavy Diphoton Resonance

Ian Low, Joseph Lykken|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、LHCラン2で観測された750 GeVの二光子共鳴状態の説明として、重い電弱ノルムスカラが可能性を検討している。$SU(2)_L \times U(1)_Y$ゲージ不変性を用いて、電弱ゲージボソンへの崩壊が2つの自由パラメータによって制約されることを示し、モデルに依存しない予測が可能である：二光子ブランチ比は約61%で上限に抑えられ、グルーオン融合生成を仮定した場合、この過程を媒介する新しい色荷を帯びた粒子の質量スケールは、1.7 TeV（CP偶性）または2.6 TeV（CP奇性）未満に制限される。これは、イベントレートに依存する。

ABSTRACT

Assuming a heavy electroweak singlet scalar, which couples to the Standard Model gauge bosons only through loop-induced couplings, SU(2)_L x U(1)_Y gauge invariance imposes interesting patterns on its decays into electroweak gauge bosons, which are dictated by only two free parameters. Therefore experimental measurements on any two of the four possible electroweak channels would determine the remaining two decay channels completely. Furthermore, searches in the WW/ZZ channels probe a complimentary region of parameter space from searches in the gamma-gamma/Z-gamma channels. We derive a model-independent upper bound on the branching fraction in each decay channel, which for the diphoton channel turns out to be about 61%. Including the coupling to gluons, the upper bound on the diphoton branching fraction implies an upper bound on the mass scale of additional colored particles mediating the gluon-fusion production. Using an event rate of about 5 fb for the reported 750 GeV diphoton excess, we find the new colored particle must be lighter than O(1.7 TeV) and O(2.6 TeV) for a pure CP-even and a pure CP-odd singlet scalar, respectively.

研究の動機と目的

• 750 GeVの二光子過剰が、標準模型（SM）ゲージボソンと結合する重い電弱シングレットスカラによって説明可能かどうかを検討すること。
• ゲージ不変性が、このようなスカラが電弱ゲージボソン対（例：$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$WW$、$ZZ$）へ崩壊する際の崩壊パターンをどのように制約するかを特定すること。
• ゲージ対称性と実験的入力を唯一の出発点として、特に二光子チャンネルのブランチ比に対してモデルに依存しない上界を導出すること。
• 生成モードが支配的であると仮定した場合、グルーオン融合による共鳴生成を媒介する仮説上の色荷を帯びた粒子の質量スケールを制限すること。

提案手法

• $SU(2)_L \times U(1)_Y$に不変な有効次元5のオペレーターを導出し、ループ誘導結合を通じてシングレットスカラとSMゲージボソンを結びつける。
• カップリング $g_{S\gamma\gamma}$、$g_{SZ\gamma}$、$g_{SZZ}$、$g_{SWW}$、$g_{Sgg}$ を2つの自由パラメータ（$\kappa_W$、$\kappa_B$）およびスカラ質量 $m_S$ で表現する。
• 部分幅の式 $\Gamma_{V_1V_2} = \frac{N_g \delta_V}{64\pi} |g_{SV_1V_2}|^2 m_S$ を用いて、$m_S \gg m_{W/Z}$ の極限での崩壊率を計算する。
• 全ブランチ比の合計が1に等しいという制約を適用し、モデルに依存しない上界として、$\text{BR}(\gamma\gamma)$ が約61%で上限に抑えられることを導出する。
• グルーオン融合を支配的生成モードと仮定し、二光子ブランチ比をカップリング $\kappa_g$ と関連づけ、イベントレート制約を通じて新しい色荷を帯びた粒子の質量に上界を導出する。
• 750 GeVの過剰に対して5 fbのイベントレートを用いて、色荷を帯びた粒子の質量に上界を導出：$m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$（CP偶性）および $2.6\,\text{TeV}$（CP奇性）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱ゲージ不変性 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ を前提とした場合、重い電弱シングレットスカラの電弱ゲージボソン終状態へのブランチ比に及ぼされるモデルに依存しない制約は何か？
• RQ2 このようなスカラの二光子ブランチ比は、基本的なゲージ不変カップリングにどのように依存し、その最大可能な値は何か？
• RQ3 共鳴がグルーオン融合によって生成される場合、この過程を媒介する新しい色荷を帯びた粒子の質量スケールにどのような上界を設定できるか？
• RQ4 色荷を帯びた粒子の質量に対する制約は、スカラのCP性質（偶性または奇性）および二光子過剰の仮定されたイベントレートにどのように依存するか？
• RQ5 WW/ZZチャンネルの測定は、$\gamma\gamma/Z\gamma$探索と比較して、シングレットスカラのパラメータ空間を補完的に探査できるか？

主な発見

• ゲージ不変性とユニタリティ制約のおかげで、重い電弱シングレットスカラの二光子ブランチ比は約61%で上限に抑えられる。
• 電弱崩壊チャンネルのうち2つ（$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$WW$、$ZZ$）の実験的測定があれば、2パラメータ構造に起因して残りの2つのチャンネルが完全に決定される。
• $WW/ZZ$チャンネルの探索は、$\gamma\gamma/Z\gamma$探索とは補完的なパラメータ空間をカバーするため、共鳴のパラメータ空間への全体的な感度が向上する。
• 750 GeVの二光子過剰に対して5 fbのイベントレートを仮定した場合、グルーオン融合生成を媒介する新しい色荷を帯びた粒子の質量スケールは、純粋なCP偶性スカラでは $m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$、純粋なCP奇性スカラでは $m_X \lesssim 2.6\,\text{TeV}$ に制限される。
• 色荷を帯びた粒子の質量に対する上界は、仮定されたイベントレートに敏感である：3 fbのレートの場合、上界はCP偶性で $\lesssim 2.7\,\text{TeV}$、CP奇性で $\lesssim 3.4\,\text{TeV}$ に厳しくなる。
• 最大の二光子ブランチ比は、$\kappa_W/\kappa_B \approx 0.03 + 32.2 \cdot \kappa_g^2 / \kappa_B^2$ のときにおこり、これはグルーオンカップリングの強さと $\kappa_B$ の相対的大きさに依存する。