[論文レビュー] Production and Decay of 750 Gev state of 6 top and 6 anti top quarks

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、新しい物理を導入せずに、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子過剰現象が、標準模型内における6つのトップおよび6つのアンチトップクォークの束縛状態である可能性を提案する。ベーテ＝サルピーター波動関数およびインパルス近似に基づく粗い推定を用いて、13 TeVでのペア生成断面積が約2 pbであり、LHCデータと整合するBrを予測する。二光子崩壊率は波動関数の重なりによって抑制されるが、グルーオン交換によって強化される。

ABSTRACT

Crude estimates are made of the branching ratios and pair production cross-section for our previously proposed bound state S of six top and six antitop quarks identified with the diphoton excess recently observed in ATLAS and CMS. We estimate the pair production cross section to be approximately 12 times that for fourth family quarks. Hence we predict $σ(pp ightarrow SS + anything) \approx 2$ pb at 13 TeV and an increase by a factor 10 over the cross section at 8 TeV. Crude estimates of the main branching ratios relative to the diphoton decay give $Γ(S ightarrow γ+γ) \propto 1$, $Γ(S ightarrow t + \bar{t})\propto 378$, $Γ(S ightarrow gluon+gluon)\propto 117$, $Γ(S ightarrow Higgs+Higgs)\propto 15$, $Γ(S ightarrow W+W)\propto 30$ and $Γ(S ightarrow Z+Z) = 15$. These estimates are consistent with the LHC bounds at 8 TeV within a factor 1.25. We expect the $S ightarrow γγ$ events to be produced together with another S resonance decaying typically into top-antitop or gluon-gluon jets.

研究の動機と目的

• 新しい粒子や相互作用を導入せずに、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴状態を説明すること。
• インパルス近似を用いて、グルーオン融合による束縛状態Sのペア生成断面積σ(pp → SS + その他)を推定すること。
• 主な崩壊チャネル、特にγγ、tt̄、gg、HH、WW、ZZの相対的崩壊比率を計算すること。
• 8 TeVおよび13 TeVでの既存のLHCの制限とモデルの整合性を評価すること。
• 二光子イベントが、トップ＝アンチトップまたはグルーオンジェットに崩壊する第二のS共鳴状態を伴うかどうかを検討すること。

提案手法

• 6つのトップおよび6つのアンチトップクォークが1s状態にある束縛状態Sをモデル化するために、ベーテ＝サルピーター形式を用いる。
• ペア生成断面積σ(pp → SS + その他)の推定にインパルス近似を適用し、第四世代クォークペア生成に比べて12倍のスケーリング因子を適用する。
• 1ループ（同じペア）および2ループ（異なるペア）の消失図を考慮して崩壊振幅を推定し、符号の複雑さによる干渉項を無視する。
• 波動関数の重なりおよび結合定数による抑制要因に基づき、相対的崩壊比率を割り当てる。γγ崩壊を基準とする。
• 第四世代クォークペア生成の既知の断面積を用いて、8 TeVおよび13 TeVにおけるS生成断面積を推定する。
• 弱アイソスピンなどの全量子数保存と、電荷を伴うカレントを含む2ループ崩壊におけるヒッグス交換の必要性を検討する。

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、標準模型内における6つのトップおよび6つのアンチトップクォークの束縛状態として説明可能か？
• RQ2 13 TeV LHCエネルギー下でのそのような束縛状態のペア生成断面積はどの程度か？
• RQ3 γγ、tt̄、gg、HH、WW、ZZといった主要な崩壊モードの相対的崩壊比率は何か？
• RQ4 モデルの崩壊幅は、LHCの実験的制限およびエネルギー分解能と整合するか？
• RQ5 二光子イベントは、トップ＝アンチトップまたはグルーオンジェットに崩壊する第二のS共鳴状態を伴うと予想されるか？

主な発見

• S共鳴状態のペア生成断面積は13 TeVで約2 pbと推定され、観測された二光子断面積4–10 fbと整合する。
• 二光子崩壊幅は、全幅に対して約558分の1に抑制され、LHCのエネルギー分解能よりもはるかに狭い共鳴状態となる。
• S → γγのブランチ比は1に比例すると推定されるが、S → t + t̄は最大のブランチ比を示し、378に比例すると推定される。
• モデルはS → ヒッグス＋ヒッグスおよびS → W+W、S → Z+Zが、それぞれの実験的制限に近く、抑制要因が約15であると予測する。
• 生成断面積は、第四世代クォークペア生成の12倍であると推定され、12個の構成クォーク（反クォーク）に起因する。
• モデルは、ペア生成のため、二光子イベントがトップ＝アンチトップまたはグルーオンジェットに崩壊する第二のS共鳴状態を伴う可能性が高いと予測する。