[論文レビュー] Phenomenology of a 750 GeV Singlet

Adam Falkowski, Oren Slone+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子崩壊の過剰現象が、標準模型ヒッグスと弱く混合するシングレットスカラー bosonが、ループ図を通じて光子およびグルーオンへの崩壊を媒介するベクトル励起クォークとカップリングすることによって説明可能であると提案している。二ボソンおよびヒッグスカップリング測定からの制約により混合角は sinα ≲ 0.1 に制限されるが、幅の狭い共鳴子が依然として妥当であり、今後の探索で二ジェットおよびおそらくレプトンジェット信号が予想される。

ABSTRACT

We study the recently reported excess in the diphoton resonance search by ATLAS and CMS. We investigate the available parameter space in the combined run-1 and run-2 diphoton data and study its interpretation in terms of a singlet scalar field which possibly mixes with the Standard Model Higgs boson. We show that the mixing angle is already strongly constrained by high-mass Higgs searches in the diboson channel, and by Higgs coupling measurements. While a broad resonance is slightly favored, we argue that the signal is consistent with a narrow-width singlet which couples to colored and electromagnetically-charged vector-like fermions. Dijet signals are predicted and may be visible in upcoming analyses. Allowing for additional decay modes could explain a broader resonance, however, we show that monojet searches disfavor a large invisible width. Finally, we comment on the possible relation of this scenario to the naturalness problem.

研究の動機と目的

• LHCラン1およびラン2のデータで観測された750 GeVの二光子共鳴子過剰現象を、新たなスカラー・シングレットとして解釈すること。
• 高質量ヒッグス探索およびヒッグスカップリング測定からの制約を考慮した、標準模型ヒッグスボソンと混合するシングレットスカラーの妥当性を評価すること。
• 共鳴子が幅の狭い状態であるか、広い状態であるかを評価し、これにより隠れたまたは可視の崩壊モードにどのような含意があるかを明らかにすること。
• このシナリオが標準模型における階層問題および自然性の問題とどのように関連するかを調査すること。
• 今後のLHC解析で確認可能な、二ジェットおよびレプトンジェット最終状態のような観測可能なシグネチャを予測すること。

提案手法

• 色および電気的電荷を持つベクトル励起クォークとカップリングするシングレットスカラー S を持つ最小限の有効場理論モデルを構築する。
• ベクトル励起クォークによるループ補正を計算し、効果的 Sγγ および Sgg 頂点を評価することで、LHCにおける二光子およびグルーオン融合生成を可能にする。
• ラン1およびラン2の二光子データを統合して、共鳴子の質量、幅、および断面積の最適適合値を抽出する。
• シングレット S と標準模型ヒッグスボソン h 間の混合角 α を導入し、二ボソン崩壊チャネルおよびヒッグス信号強度測定からの制約を評価する。
• 隠れ崩壊幅に対するモノジェット探索からの制限を評価し、大きな隠れ崩壊幅は除外されることを示す。
• ループ補正から導かれるキャンセレーション条件を用いて、ベクトル励起クォークとシングレットがヒッグス質量における二次的発散をキャンセルできるかを検証し、自然性の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ループ誘導カップリングを介して光子およびグルーオンとカップリングする750 GeVのシングレットスカラーが、ATLASおよびCMSのデータで観測された二光子過剰現象を説明できるか？
• RQ2 既存の高質量ヒッグスおよびヒッグスカップリング測定から、シングレットと標準模型ヒッグスとの混合角はどの程度制限されているか？
• RQ3 モノジェットおよび二ジェット探索からの制約を考慮すると、広い共鳴子幅は現在の実験的制約と整合するか？
• RQ4 二ジェットやレプトンジェットのような追加の崩壊チャネルは、シングレット解釈のモデルに依存しない確認のための予測としてどの程度期待できるか？
• RQ5 ベクトル励起クォークとシングレットスカラーがヒッグス質量における二次的発散をキャンセルする可能性があり、自然性問題の解決に寄与する可能性はあるか？

主な発見

• 二光子過剰現象は、幅の狭いシングレットスカラーが、ループ誘導カップリングによって色および電磁的に荷電したベクトル励起フェルミオンとカップリングすることと整合する。
• 二ボソンチャネル探索およびヒッグスカップリング測定からの制約により、シングレットと標準模型ヒッグスとの混合角は sinα ≲ 0.1 に制限され、大きな混合は排除される。
• データはやや広い共鳴子幅を支持するが、幅の狭い状態は現在のデータでは除外されておらず、依然として妥当である。
• モノジェット探索は大きな隠れ崩壊幅を強く排除しており、広がりの原因として隠れ崩壊を説明するのは困難である。
• 二ジェット信号は予測され、今後のLHC解析で観測可能であり、シングレット仮説のモデルに依存しない検証手段となる可能性がある。
• 許容可能なパラメータ領域では、ベクトル励起クォークとシングレットスカラーがヒッグス質量における二次的発散をキャンセルする寄与を示しており、自然性問題への潜在的な関連性が示唆される。