[論文レビュー] Radion Candidate for the LHC Diphoton Resonance

Debjyoti Bardhan, Disha Bhatia+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用数 71

ひとこと要約

本稿では、750 GeV付近のLHC二光子共鳴が、ゴールデンバーグ＝ヴァイズ機構による安定化を経た歪んだ余剰次元モデルにおけるラディオンである可能性を提案する。赤方偏移ブレーンに1世代のベクトル型フェルミオンを導入することにより、必要な大きな二光子幅を達成すると同時に、二ジェット過程のレートを抑制する。このモデルは、他のチャンネルでのnull結果と矛盾せず、観測された信号をうまく説明できる。

ABSTRACT

The recent observation of a modest excess in diphoton final states at the LHC, by both the ATLAS and CMS Collaborations, has sparked off the expected race among theorists to find the right explanation for this proto-resonance, assuming that the signal will survive and not prove to be yet another statistical fluctuation. We carry out a general analysis of this `signal' in the case of a scalar which couples only to pairs of gluons (for production) and photons (for diphoton decay modes), and establish that an explanation of the observed resonance, taken together with the null results of new physics searches in all the other channels, requires a scalar with rather exotic behaviour. We then demonstrate that a fairly simple-minded extension of the minimal Randall-Sundrum model can yield a radion candidate which might reproduce this exotic behaviour.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴を、標準模型を越えるスカラー共鳴として説明すること。
• クォークおよびゲージボソンへの結合が抑制されたモデルを通じて、他のチャンネル（例：二ジェット、WW、ZZ）での信号が観測されていないことと、観測された二光子信号を調和させること。
• 幅と branching 比の観測された性質を再現できる、ランダール＝サンズモデルの最小で実現可能な拡張を構築すること。
• ヒッグス粒子と混合するラディオン状態が、ゴールデンバーグ＝ヴァイズ機構によって安定化され、すべての実験的制約を満たすことができることを示すこと。
• 赤方偏移ブレーン上にベクトル型フェルミオンを含めることで、二光子幅が自然に増幅されつつも、二ジェットレートが制限内に保たれることを示すこと。

提案手法

• 歪んだ余剰次元とゴールデンバーグ＝ヴァイズ機構によるモジュール安定化を伴う最小限のランダール＝サンズモデルを採用する。
• 標準模型ヒッグス粒子と混合するラディオン状態を導入し、混合パラメータを調整して、重いエイゲン状態がブレーン上の標準模型場から分離するようにする。
• クォークおよびベクトル型フェルミオンからの1ループ寄与を用いて、ラディオンのグルーオン（𝑐𝑔）および光子（𝑐𝛾）への有効結合を計算する。
• 結合定数のランニングを決定するためのベータ関数係数（𝑏₁, 𝑏₂, 𝑏₃）を用い、所望の 𝑐𝛾/𝑐𝑔 確率比を得るためにフェルミオンの世代数を調整する。
• 二光子終状態の生成断面積推定値を改善するために、QCD補正（K要因：約2）を導入する。
• ヒッグス信号強度（例：𝜇𝑊𝑊）および二ジェット率制限を用いてモデルを制約し、𝑐𝛾–𝑐𝑔 平面上の許容領域をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪んだ余剰次元モデルにおけるラディオンが、他のLHCチャンネルでのnull結果と整合しながら、750 GeVの二光子共鳴を説明できるか？
• RQ2 必要な大きな二光子幅と小さな二ジェット率を実現するための、標準模型の最小限の拡張は何か？
• RQ3 赤方偏移ブレーン上に存在するベクトル型フェルミオンは、ラディオンのグルーオンおよび光子への結合にどのように影響するか？
• RQ4 ラディオンの結合をどの程度調整すれば、二光子信号強度と二ジェット率制限の両方を満たせるか？
• RQ5 赤方偏移ブレーン上にベクトル型フェルミオンを含めることで、125 GeVでのヒッグス信号強度測定と矛盾をきたすおそれがあるか？

主な発見

• 赤方偏移ブレーン上に1世代のベクトル型フェルミオンを含めることで、有効なフェルミオン数が増加し、𝑐𝛾/𝑐𝑔 確率比が |𝑐𝛾 ≈ 0.216 𝑐𝑔| にシフトする。これは、二光子信号の許容領域内にある。
• SM + ベクトル型フェルミオン（SM + VF）モデルでは、ラディオンの真空期待値 Λ𝜑 > 700 GeV の条件下で、必要な二光子断面積が達成される。図2に示す。
• SMオンリーモデルでは、十分な二光子イベントが生成できず、二ジェット率制限によってもすでに除外される。信号強度制限を考慮する前からそうである。
• SM + VFシナリオは、SMオンリーよりもヒッグス信号強度（𝜇𝑊𝑊）の制約が緩く、図2のピンク色の領域が有効なパラメータ空間を示している。
• ラディオンがクォークに対して弱い結合を持つこと、およびベクトル型フェルミオンが赤方偏移ブレーンに閉じ込められていることにより、ツリーレベルの二ジェット生成が抑制され、二ジェット過剰を回避する。
• ラディオンの幅は、フェルミオンのループ寄与による二光子崩壊率の増幅のおかげで、自然に質量の約6％（≈45 GeV）に保たれ、観測された共鳴幅と整合する。