[論文レビュー] Leptoquarks: 750 GeV Diphoton Resonance and IceCube Events

Ujjal Kumar Dey, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、量子数$(3,2,7/6)$を持つスカラー則クォーク$R_2$が、LHCデータで観測された750 GeVの二光子共鳴と、IceCubeが検出した高エネルギーPeVニュートリノ事象を統一的に説明可能であると提唱している。$R_2$則クォークは、750 GeVスカラー共鳴状態のループ誘導的グルーオン融合生成を媒介し、ニュートリノ-核子散乱における共鳴的生成を可能にし、その質量が780–900 GeVで、結合定数が1に近い場合にIceCubeのPeV事象スペクトルと整合する。

ABSTRACT

The recent data from ATLAS and CMS hint at a new resonance at around 750 GeV in the diphoton invariant mass distribution. The explanation of the significantly large cross section for this diphoton resonance requires coloured particles in its loop-induced production via gluon fusion and subsequent decay to diphoton. A natural candidate for the coloured particle is the colour-triplet leptoquark, lying in the mass range 375-1000 GeV, which can account for such large cross section. The leptoquarks in this mass range can also be produced resonantly from neutrino and quark interactions at IceCube and provide an explanation to the PeV-energy neutrino events. In this work, we show that the scalar leptoquark with quantum number $(3,2,7/6)$ can uniquely provide a unified explanation to both the PeV IceCube events and the 750 GeV diphoton resonance.

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、スカラー則クォークモデルを用いて説明すること。
• ニュートリノ-核子散乱における則クォークの共鳴的生成を通じて、IceCubeが検出した高エネルギーPeVニュートリノ事象を説明すること。
• 両現象を1つのスカラー則クォークフレームワークで統一し、木レベルの作用素による急速な陽子崩壊を回避すること。
• 二光子断面積とIceCube事象スペクトルの両方に最も適合する則クォーク状態を特定すること。

提案手法

• 750 GeVのスカラー素粒子$\Phi$（二光子共鳴）を実スカラー素粒子として導入し、次元付き相互作用$\lambda_s \Phi |\eta|^2$によりスカラー則クォークと結合する。
• ループ誘導的グルーオン融合を通じて$R_2$則クォークが$\Phi$を生成し、その後$\gamma\gamma$に崩壊するメカニズムを用い、有効ラグランジアンとループ積分を用いて断面積を計算する。
• IceCubeにおけるニュートリノ-核子散乱を$R_2$則クォーク交換でモデル化し、パートン分布関数とヤコビ型結合定数を用いて断面積を計算する。
• $m_{LQ}$とヤコビ型結合定数$Y_1^{13}, Y_2^{31}$を変化させることでIceCube事象スペクトルにフィットし、LHCの制約を避けるために$\nu_\tau$および上クォークへの結合に注目する。
• $\mathscr{R}_{\rm{NC}}$および$\mathscr{R}_{\rm{CC}}$比を用いて、イベントレート計算における中性および電荷付き現在の寄与を分離する。
• 1347日分のIceCubeデータとシミュレートされたイベント分布を比較し、異なる$m_{LQ}$および結合定数値におけるフィットの良さを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのスカラー則クォークの量子数が、750 GeVの二光子共鳴とIceCubeのPeVニュートリノ事象の両方を同時に説明可能か？
• RQ2 1つの則クォークモデルが、ループ誘導的二光子生成と共鳴的ニュートリノ散乱を説明できるが、急速な陽子崩壊を引き起こさないか？
• RQ3 どの範囲の則クォーク質量とヤコビ型結合定数がIceCubeのPeV事象スペクトルを最もよく再現するか？
• RQ4 $R_2$則クォークの3世代目レプトンおよび1世代目クォークへの結合が、LHCおよびIceCubeのデータにおけるその妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• $R_2$則クォークが量子数$(3,2,7/6)$を持つ場合、二光子共鳴断面積とIceCubeのPeV事象データの両方を満たす唯一の状況である。
• $m_{LQ} \in [780, 900]$ GeVでヤコビ型結合定数が1のとき、$R_2$則クォークはPeVエネルギー領域におけるIceCube事象スペクトルと良好に一致する。
• 自然な結合定数強度を用いたループ誘導的グルーオン融合を通じて、二光子過剰を説明でき、微調整を回避する。
• $R_2$則クォークは木レベルの急速な陽子崩壊を回避し、それらを引き起こす高次元作用素に対しても安定である。
• このモデルは、$\nu_\tau$-媒介の$R_2$生成に起因するIceCubeにおける特徴的な$\tau$-レプトンのサインチャを予測し、ダブルバングイベントとして識別可能である。
• 780–900 GeVの範囲外の則クォーク質量でも、非ユニタリ結合定数を用いればデータにフィット可能だが、$Y_1^{13} \sim 1$のとき、最も良好な一致が得られる。