[論文レビュー] Revisiting Scalar Quark Hidden Sector in Light of 750-GeV Diphoton Resonance

Cheng-Wei Chiang, Masahiro Ibe+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、強い相互作用から生成される複合状態として750 GeVのCP偶性スカラーレゾナントが出現するスカラークォーク隠れセクターのモデルを再考する。このレゾナントは、電荷を帯びたスカラークォークのループを通じたループ誘導型カップリングにより、ATLASおよびCMSの二重光子過剰に寄与する。モデルは、力学的スケールとレゾナント質量の不可分性から、電荷を帯びたレゾナント、複数の光子、ジェット、レプトンといった追加の署名を自然に予測する。また、安定なバリオン的スカラーステートにより、有効なダークマター候補も提供する。

ABSTRACT

In this short note, we revisit the model of a CP-even singlet scalar resonance proposed in arXiv:1507.02483, where the resonance appears as the lightest composite state made of scalar quarks participating in hidden strong dynamics. We show that the model can consistently explain the excess of diphoton events with an invariant mass around 750GeV reported by both the ATLAS and CMS experiments. We also discuss the nature of the charged composite states in the TeV range which accompany to the neutral scalar. Due to inseparability of the dynamical scale and the mass of the resonance, the model also predicts signatures associated with the hidden dynamics such as leptons, jets along with multiple photons at future collider experiments. We also associate the TeV-scale dynamics behind the resonance with an explanation of dark matter.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが13 TeVの陽子-陽子衝突で観測した750 GeVの二重光子レゾナント過剰を説明すること。
• 8 TeVでのレゾナント探索からの制約を回避しつつ、以前に提案されたスカラークォーク隠れセクターのモデルが二重光子信号を一貫して説明できることを示すこと。
• 力学的スケールと複合レゾナント質量の不可分性が生じる影響を調査し、新たな加速器署名を導くこと。
• 750 GeVレゾナントを生じるTeVスケールの隠れ力学と、安定なバリオン的スカラーステートを介して有効なダークマター候補を結びつけること。

提案手法

• 元来2 TeVの二ボソンレゾナントを想定していたRef. Chiang:2015lqaのモデルを、750 GeV信号を説明するため、力学的スケールを低くすることで適応する。
• スカラーレゾナントSがグルーオン、W'、B'を介して標準模型ゲージボソンとカップリングするのを記述するため、抑制スケール$\Lambda_1$, $\Lambda_2$, $\Lambda_3$ を用いた有効ラグランジュアンを用いる。
• MSTW2008のパートン分布関数と幅が狭い近似を用いて、グルーオン融合生成断面積を計算する。
• レゾナント質量が力学的スケールに近い状況で、電荷を帯びたスカラークォークを含むループレベルカップリングから二重光子分岐比を導出する。
• 隠れセクターにおける低エネルギーでのクォーク的力学の出現により、複数の光子、ジェット、レプトンといった追加の署名を予測する。
• 安定で中性のバリオン的スカラーステート$B \propto QQQQQ$ をダークマター候補として特定し、ユニタリティ飽和型フォーム因子を用いてその残存密度と直接検出断面積を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二重光子レゾナント過剰は、強い相互作用から生じるスカラーレゾナントを有するスカラークォーク隠れセクターによって一貫して説明可能か？
• RQ2 8 TeVでのLHCの高質量レゾナント探索からの制約は、このモデルの妥当性にどのように影響するか？
• RQ3 力学的スケールとレゾナント質量の不可分性が、このモデルで生じる新たな加速器署名は何か？
• RQ4 750 GeVレゾナントを生じるTeVスケールの力学が、同時に有効なダークマター候補を提供できるか？
• RQ5 このモデルにおけるスカラーダークマター候補の直接検出の可能性は何か？

主な発見

• モデルは、ATLASの$6.0^{+2.4}_{-2.0}$ fbおよびCMSの$5.6^{+2.4}_{-2.4}$ fbという生成断面積×分岐比で750 GeVの二重光子過剰を説明し、観測データと整合する。
• レゾナント質量$M_S \approx 750$ GeVは、力学的スケール$\Lambda_{\rm dyn}$に近く、これは状態が擬スカラーゲージボソンではないため、カップリングが強化され、新たな署名が生じる。
• 隠れセクターの低エネルギーでの部分粒子の出現により、将来的な加速器で複数の光子、ジェット、レプトンといった追加の署名が予測される。
• 電荷を帯びた複合レゾナントは、中性の750 GeVレゾナントと共に予測され、明確な実験的署名を提供する。
• 質量が$\sim$ 5 TeVの安定で中性のバリオン的スカラーステート$B \propto QQQQQ$ が、有効なダークマター候補として特定され、フォーム因子が1未満である限り、観測された残存密度と整合する。
• スピン不変の直接検出断面積は$\sigma_{SI} \simeq 5.4 \times 10^{-46}$ cm$^2 \times \lambda_B^2 (5\,{\rm TeV}/M_B)^2$ と推定され、予想されるLZ実験の範囲内にある。