[論文レビュー] LHC diphoton excess from colorful resonances

Jia Liu, Xiao-Ping Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 63被引用数 54

ひとこと要約

本稿では、$\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$ の自発的対称性の破れによって標準模型の $\mathrm{SU}(3)_C$ に至るカラーモデルを提案する。ここで、重い色荷を持つベクトルレゾナント $G'$ が段階的崩壊を経て、より軽い色荷を持つスカラーレゾナント $S$ に崩壊し、その後 $S$ がフェルミオンのループを通じて2つの光子に崩壊する。その結果、二光子の不変質量分布には約750 GeV付近に運動的エッジが現れ、13 TeVでのLHCの二光子過剰現象を説明する。このモデルは、ジジェット、$t\bar{t}$、およびジジェット＋光子の制約を満たしており、2つのレゾナントとハードジャケットを伴う特徴的なシグネチャを予測する。

ABSTRACT

Motivated by the possible diphoton excess around $750~ m{GeV}$ observed by ATLAS and CMS at $13~ m{TeV}$, we consider a coloron model from $ m{SU}(3)_1 imes m{SU}(3)_2$ spontaneously breaking to the Standard Model $ m{SU}(3)_C$. A colored massive vector boson is resonantly produced by $q \bar q $ in proton collision, followed by a colored scalar cascade decay. This process gives two photons and one jet in the final states. And the kinetic edge of the two photons can be an interpretation of the diphoton excess, while satisfying the dijet, $ m{t}\bar{t}$, jet+photon resonance constraints. In this model, due to the large mass of vector resonance, the parton luminosity function ratio between $13~ m{TeV}$ and $8~ m{TeV}$ can be quite large. Therefore, the diphoton excess has not been observed at $8~ m{TeV}$ search. On the other hand, having all the new particles color-charged around $ m{TeV}$, this model predicts new signals at the LHC, which can be validated soon.

研究の動機と目的

• LHCラン2（13 TeV）での観測された750 GeVの二光子過剰現象を、標準模型を超える新しい物理機構によって説明すること。
• スカラーモードの導入を避ける代わりに、$\mathrm{SU}(3)_C$ に色荷を持つ粒子を用いることで、二光子過剰現象の代替的説明を提供すること。
• $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2 \to \mathrm{SU}(3)_C$ の自発的対称性の破れに基づく正則なモデルを構築し、自由パラメータを最小限に抑えること。
• 8 TeVおよび13 TeVでのジジェット、$t\bar{t}$、ジジェット＋光子、および二光子レゾナント探索における既存のLHC制約と整合性を持つこと。
• 特に、ハードな先行ジャケットと、$p_T \lesssim 200$ GeVの二次的光子を伴う特徴的なイベントトポロジー（スカラー・レゾナント・モデルとは異なる）を予測すること。

提案手法

• モデルは、$\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$ のゲージ群が、真空期待値 $\langle\Phi\rangle = v_\Phi I / \sqrt{6}$ を持つ二重ファンクター スカラーベクトル $\Phi$ を介して $\mathrm{SU}(3)_C$ に自発的対称性が破れるものに基づく。
• 質量を持つベクトルレゾナント $G'$ は、$-g_1 G_{1\mu}^a + g_2 G_{2\mu}^a$ の線形結合として現れるが、残りの結合は質量を持たないまま残る。
• 色荷を持つスカラーレゾナント $S$（$\mathrm{SU}(3)_C$ における八重項）は、重いフォールディング型フェルミオン $\Psi$ のループを通じて光子に結合し、$S \to \gamma\gamma$ の崩壊を可能にする。
• $G'$ はプロトン・プロトン衝突で $q\bar{q} \to G'$ として生成され、その後段階的崩壊 $G' \to S + g$ を経て、$S \to \gamma\gamma$ に至り、最終状態として2つの光子と1つのジャケットをもつ。
• 段階的崩壊の運動論的性質により、二光子の不変質量には $m_{\gamma\gamma} \approx 750$ GeV 付近に運動的エッジが現れ、レゾナントに似た振る舞いを示す。
• 部分子の局在関数を用いてLHCの制約をテストした結果、$G'$ の質量（約1.9 TeV）が8 TeVでの生成断面積を抑制し、このエネルギーで二光子レゾナント探索に引っかからなかったことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子過剰現象は、直接的なスカラーレゾナント崩壊ではなく、色荷を持つベクトルレゾナントの段階的崩壊によって説明可能か？
• RQ2 最小限の新しい場とパラメータで、このようなメカニズムを正則でゲージ理論に基づくモデルとして実現可能か？
• RQ3 $G'$ レゾナントの大きな質量が、13 TeVと8 TeVでの生成率比に与える影響は何か？ そして、この影響が8 TeVで信号が観測されなかった理由を説明できるか？
• RQ4 最終状態の特徴的な運動論的特徴（例：$p_T$ 分布、不変質量）は、単純な750 GeVのスカラーレゾナント・モデルとどのように異なっているか？
• RQ5 モデルの予測は、8 TeVおよび13 TeVでのジジェット、$t\bar{t}$、ジジェット＋光子、および二光子レゾナント探索における既存のLHC制約と整合性を持つか？

主な発見

• 段階的崩壊 $G' \to S + g \to \gamma\gamma + g$ の結果、二光子の不変質量分布に750 GeV付近に運動的エッジが現れ、観測された過剰現象の非レゾナント的説明が可能となる。
• モデルはハードな先行ジャケットと、$p_T \lesssim 200$ GeV の二次的光子を伴う特徴的なシグネチャを予測するが、これはスカラーレゾナント・モデルには存在しない。
• $G'$ レゾナントの質量は約1.9 TeVであり、13 TeVと8 TeV間の部分子局在関数比が大きく、13 TeVでの信号が観測されたが8 TeVでは観測されなかった理由を説明できる。
• モデルはすべての既存のLHC制約（ジジェット、$t\bar{t}$、ジジェット＋光子、および二光子レゾナント探索）を満たしている。
• モデルは2つの新しいレゾナントを予測する：$S$ からのジジェット＋光子レゾナントと、$G'$ からのジジェット＋二光子レゾナントであり、実験的検証の明確なシグネチャを提供する。
• $m_{j_1\gamma_1\gamma_2}$ および $m_{j_1\gamma_1}$ の運動論的分布には、それぞれ $m_{G'} \approx 1900$ GeV および $m_S \approx 1695$ GeV に明確なレゾナントが現れ、新しい物理の存在を確認する。