[論文レビュー] Neutrino Mass Generation and 750 GeV Diphoton excess via photon-photon fusion at the Large Hadron Collider

Kirtiman Ghosh, Sudip Jana+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールのアイソスピン3/2スカラーマルチプレットと電弱ノードスカラー励起状態を介して、LHCにおける750 GeVの二光子過剰と非常に小さなニュートリノ質量を統一的に説明するモデルを提案する。二光子過剰は光子-光子融合から生じ、多重電荷を有するスカラーのループ効果による増幅が寄与し、パラメータ空間の広い領域で観測された3–10 fbの断面積をうまく再現する。同時に、$ZZ$、$WW$、$hh$最終状態の測定可能な断面積を予測する。

ABSTRACT

We propose a new model for explaining the diphoton excess observed at the LHC. The uniqueness of our model is that this excess is being produced by photon-photon induced sub-process. The model includes an isospin $3/2$ scalar multiplet (having triply, doubly and singly charged scalars) at the electroweak (EW) scale to explain the observed neutrino masses via the effective dimension $7$ operator. The model also include a singlet scalar which is the di-photon resonance. The loop induced coupling of the singlet scalar with a pair of photons is enhanced due to contributions from multi-charged EW-scale scalars (component of isospin $3/2$ multiplet) in the loop. We examine the production of the singlet scalar at the LHC via photon-photon fusion sub-process and its subsequent decay to di-photon. We found that a large part of parameter space of the present model can explain the observed excess of di-photon events at the LHC. We also study the other decay modes of the singlet scalar and the ensuing predictions can be tested in the upcoming runs at the LHC.

研究の動機と目的

• グルーオン融合とは異なる新しい生成メカニズムを用いて、LHCラン2で観測された750 GeVの二光子過剰を説明すること。
• TeVスケールでの次元7の有効オペレーターを用いて、非常に小さなニュートリノ質量を同時に説明すること。
• 二光子共鳴状態の主要生成チャネルとしての光子-光子融合の妥当性を検討すること。
• 他の崩壊モードや断面積に関する実験的制約とモデルの整合性を検証すること。

提案手法

• アイソスピン3/2スカラーマルチプレット（三重、二重、単重電荷成分を有する）を導入し、次元7のオペレーターを介してニュートリノ質量を生成する。
• 750 GeVの二光子共鳴状態として電弱ノードスカラー $S$ を追加し、樹形レベルで標準模型のゲージボソンと結合しないようにする。
• アイソスピン3/2マルチプレットに含まれる多重電荷スカラーの寄与により、ループ誘導型の $S\gamma\gamma$ 結合を増幅する。
• 光子パートン分布関数と全崩壊幅を用いて、LHCにおける $S$ の光起因断面積を推定する。
• $\lambda_{10}$ と $\lambda_{11}$ のパラメータスキャンを実施し、観測された3–10 fbの二光子過剰と整合する領域を特定する。
• $S \to \gamma\gamma$, $ZZ$, $WW$, $hh$, $Z\gamma$, $t\bar{t}$, $gg$ のブランチ比と断面積を評価し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子過剰はグルーオン融合ではなく、光子-光子融合によって説明可能か？
• RQ2 同一のモデルが、二光子過剰と次元7オペレーターによる非常に小さなニュートリノ質量の両方を同時に説明可能か？
• RQ3 多重電荷スカラーは $S\gamma\gamma$ 結合の増幅と光起因生成をどのように果たすか？
• RQ4 スカラー $S$ のどの崩壊モードがLHCで観測可能な断面積を持つと予測されるか？
• RQ5 $\lambda_{10}$ と $\lambda_{11}$ のどのパラメータ空間が観測された二光子過剰と実験的制限と整合するか？

主な発見

• 図4の青色領域で示される $\lambda_{10}$–$\lambda_{11}$ パラメータ空間の広い領域で、13 TeVにおける観測された3–10 fbの二光子過剰を再現できる。
• ベンチマーク点BP1では、二光子ブランチ比が最大7.93 fbに達し、観測された過剰と整合的である。
• $hh$、$WW$、$ZZ$ 最終状態の断面積はそれぞれ11.26 fb、5.89 fb、約0 fbと予測され、いずれも検証可能な範囲内にある。
• $Z\gamma$ と $gg$ 最終状態の断面積はそれぞれ0.3 fb未満および$10^{-4}$ fb未塔であり、無視可能で実験的制限と整合的である。
• $t\bar{t}$ と $Z\gamma$ モードの断面積はそれぞれ1.5 fb未塔および0.25 fb未塔と予測され、観測限界よりはるかに小さい。
• モデルは、標準模型のゲージボソンやフェルミオンとの樹形レベル結合なしに、二光子過剰とニュートリノ質量の両方を一貫した枠組みで説明している。