[論文レビュー] Photo-production of a 750 GeV di-photon resonance mediated by Kaluza-Klein leptons in the loop

Steven Abel, Valentin V. Khoze|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された750 GeVの二光子共鳴状態が、高次元理論におけるKaluza-Klein（KK）レプトンと結合するスピン0のスカラーボソンに起因すると提案している。ここで、ループ媒介の生成および二光子への崩壊は、KKモードの総和によって強化される。このモデルは、大きなヤコビ係数やグルーオン融合を必要とせず、2+1次元およびよりコンパクトな余剰次元におけるKK状態のタワーによって自然に説明可能である。

ABSTRACT

We consider the phenomenology of a 750 GeV resonance X which can be produced at the LHC by only photon fusion and subsequently decay into di-photons. We propose that the spin-zero state X is coupled to a heavy lepton that lives in the bulk of a higher-dimensional theory and interacts only with the photons of the Standard Model. We compute the di-photon rate in these models with two and more compact extra dimensions and demonstrate that they allow for a compelling explanation of the di-photon excess recently observed by the ATLAS and CMS collaborations. The central role in our approach is played by the summation over the Kaluza-Klein modes of the new leptons, thus providing a significant enhancement of the $X\ o \\gamma\\gamma$ loops for the production and decay subprocesses. It is expected that the jet activity accompanying these purely electromagnetic (at the partonic level) processes is numerically suppressed by factors such as $\\alpha_{em}^2 C_{q\\bar{q}}/C_{\\gamma\\gamma}\\sim 10^{-3}$.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴状態を、グルーオン融合や大きなヤコビ係数に依存せずに説明すること。
• 高次元理論におけるKaluza-Kleinレプトンが、スピン0のスカラーレゾネンスの二光子崩壊率を自然に強化できるかどうかを調査すること。
• 2+1次元およびよりコンパクトな余剰次元におけるKKモードの総和が、観測された13 TeVでの8 fbの断面積と一致する十分に大きな断面積を生成できることを示すこと。
• α²emによる抑制があるにもかかわらず、KKモードの寄与を活用することで、純粋に電磁的（γγ）生成過程が実現可能であることを示すこと。

提案手法

• モデルは、グルーオンと結合しない唯一のU(1)Yハイパークーラント電流に結合するスピン0のスカラーレゾネンスXを導入し、グルーオン融合を回避する。
• Xの生成および二光子への崩壊は、余剰次元の内部を伝播する重いKaluza-Kleinレプトンのループによって進行する。
• 高次元時空における場の理論的手法を用いて振幅を計算し、Kaluza-Kleinモードの総和とシュヴィンガー固有時刻正則化を含む。
• 有効結合は、寄与状態の数が非常に多いことから、KKモードの総和から導かれる。これにより、γγ断面積が顕著に強化される。
• ゼロ点エネルギーを適切に取り扱い、ループ積分の有限性を保証するために、ポアソン総和とモジュラー不変性を用いる。
• 5次元およびそれ以上の次元のコンパクト化（d ≥ 2）に一般化し、KKタワーからのスカラー質量補正を明示的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子共鳴状態は、余剰次元におけるKaluza-Kleinレプトンと結合するスカラーボソンによって、光子にのみ結合することで説明可能か？
• RQ2 高次元理論におけるKaluza-Kleinモードの総和は、観測されたLHC過剰に一致するほど、γγ崩壊率を顕著に強化できるか？
• RQ3 α²emによる抑制があるにもかかわらず、KK状態のタワーの寄与によって強化される場合、純粋に電磁的生成メカニズムは実現可能か？
• RQ4 コンパクト化スケールと余剰次元の数が、必要な二光子断面積を達成するために果たす役割は何か？
• RQ5 KKモードの総和に依存することで、非摂動的結合や大きなフレーバー数を回避できるか？

主な発見

• 2+1次元およびよりコンパクトな余剰次元におけるKaluza-Kleinモードの総和により、X → γγ崩壊率が顕著に強化され、13 TeVでの観測断面積8 fbと整合的である。
• 大きなヤコビ係数や非摂動的理論を必要とせず、代替モデルの主要な課題を解決する。
• γγ最終状態におけるジェット活動は、純粋に電磁的部分過程のため、約10⁻³の因子で抑制され、LHCデータと整合的である。
• KKレプトンタワーによるスカラー質量補正ΔM²_Xは有限かつ収束的であり、d = 1（5次元）およびそれ以上の次元について明示的な式が導出された。
• 5次元でq_F = 1/2の場合、スカラー質量補正はΔM²_X = y²M_c² × 7ζ(3)/(64π⁴) と表され、有限かつ計算可能なソフト質量を示している。
• KKモードの強化がα²emの抑制を相殺するため、コンパクト化スケールの広い範囲でモデルは摂動的かつ実現可能である。