[論文レビュー] LHC diphoton excess in a left-right symmetric model with minimal dark matter

Sanjib Kumar Agarwalla, Kirtiman Ghosh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、フェルミオンクインティプレットを備えた左右対称モデルを提案し、中性成分が妥当なダークマター候補を提供するとともに、750 GeVのスカラー励起状態のループ誘導型二光子結合を強化する。チャージドクインティプレット成分は光子-光子崩壊断面積を顕著に増大させ、LHCの二光子過剰反応の観測断面積と幅（約45 GeV）を、光子-光子融合による主要生成モードとして成功裏に説明する。ダークマター質量は自然に約375 GeVであり、$ m_{Z_R} \sim 7 $ TeVの下でLUX直接検出限界と整合的である。

ABSTRACT

We construct a model containing a viable dark matter candidate, in the framework of left-right symmetry, which can explain both width and cross-section of the observed 750 GeV diphoton excess at the LHC. We introduce a fermion quintuplet whose neutral component can be a possible dark matter candidate, whereas the charged components enhance the loop induced coupling of a 750 GeV singlet scalar with a pair of photons. We study the photo-production of the singlet scalar and its various decay modes, successfully addressing both the ATLAS and the CMS diphoton excess.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSのLHCデータで観測された750 GeVの二光子過剰反応を説明すること。これは、大きな幅（約45 GeV）と信号断面積（約5 fb）を示す二光子不変質量に顕著な過剰反応を示す。
• 宇宙論的残り質量密度と直接検出制約と整合する、左-右対称ゲージ群 $ SU(3)_C \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L} $ 内の妥当なダークマター候補を提供すること。
• 大きな二光子幅と抑制された初期状態放射の間の矛盾を解消するため、グルーオン-グルーオン融合に代えて光子-光子融合を主要生成モードとして好むこと。
• ベクトル型フェルミオンクインティプレットの中性成分がダークマター粒子を担う最小限のダークマター模型を構築すること。その質量は自然に励起状態質量の半分の周辺に位置する。

提案手法

• 750 GeVの実スカラー単粒子を導入し、フェルミオンクインティプレットのチャージド成分を介したループ図を通じて光子と結合する。
• ループ誘導結合 $ \Gamma(\phi \to \gamma\gamma) \propto \sum q_i^2 $ を用い、ここで $ q_i $ はクインティプレットフェルミオンの電荷である。この式により二光子幅が強化される。
• LHCにおけるスカラー生成を光子-光子融合でモデル化し、$ \sigma(\gamma\gamma \to \phi) \propto \Gamma_{\text{TOT}} \cdot \text{Br}^2(\phi \to \gamma\gamma) $ を用いて断面積を推定する。ここで $ \sigma_0 \approx 240 $ fb である。
• $ SU(2)_R $-ゲージ対称性を導入し、重い $ Z_R $ ボソンを生成し、ダークマター-核子散乱を媒介する。この散乱断面積は $ \sigma \propto 1/m_{Z_R}^4 $ に比例して抑制される。
• $ \lambda_\chi $ と $ m_{\chi^0} $ を変化させたベンチマーク点を用い、崩壊幅、散乱断面積、およびLHC生成率を計算する。
• LUX直接検出実験との整合性を確認し、$ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV が $ m_{Z_R} \sim 7 $ TeV の下で許容可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオンクインティプレットを備えた左右対称モデルは、ATLASおよびCMSで観測された750 GeVの二光子過剰反応の断面積と幅の両方を説明できるか？
• RQ2 ベクトル型フェルミオンクインティプレットの中性成分は、観測された残り質量密度と直接検出限界と整合する妥当なダークマター候補を提供するか？
• RQ3 グルーオン-グルーオン融合とは対照的に、光子-光子融合は初期状態放射を抑制しつつ二光子過剰反応を説明できるか？
• RQ4 フェルミオンクインティプレットのチャージド成分は、750 GeVスカラーのループ誘導型光子結合をどのように強化するか？
• RQ5 クインティプレットフェルミオンの質量分裂と崩壊パターンは、LHCにおけるコライダーのシグネチャーや検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 13 TeVのLHCで、光子-光子融合による750 GeVスカラー励起状態の生成断面積は約4.0 fbであり、観測された信号断面積と整合的である。
• 二光子崩壊幅 $ \Gamma_{\gamma\gamma} \approx 0.73 $ GeV は、チャージドフェルミオンクインティプレットのおかげで強化されており、ループ内での二乗寄与により、観測された大きな幅が説明される。
• 質量 $ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV のフェルミオンクインティプレットの中性成分は、WMAP/Planckデータと整合する残り質量密度を持つ妥当なダークマター候補である。
• ダークマター-核子散乱断面積は $ 1/m_{Z_R}^4 $ に比例して抑制され、$ m_{Z_R} \approx 7 $ TeV の場合、LUX直接検出限界と整合的である。
• モデルは、チャージドクインティプレットフェルミオンの対生成に起因する壮大なマルチレプトンシグネチャー（例：4個以上の同符号レプトン）を予測するが、質量分裂が小さいためレプトンはしばしばスローファイアブルである。
• あるベンチマーク点において、全崩壊幅 $ \Gamma_{\text{TOT}} \approx 31.9 $ GeV であり、広い共鳴状態を保証し、ATLASの観測幅と一致する。