[論文レビュー] The $750\, ext{GeV}$ diphoton resonance in the light of a 2HDM with $S_3$ flavour symmetry

A. E. Cárcamo Hernández, Ivo de Medeiros Varzielas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴を説明するため、$S_3$ フレーバー対称性を有する2HDMに、$+\frac{5}{3}$ 電荷を有するExotic topパートナーや電荷を持つスカラーダイレクトを追加して拡張したモデルを提案する。共鳴は$Z_{14}$対称性の破れを起こすスカラー$\chi$に起因し、Exoticクォークの三角形ループを通じたグルーオン融合で生成される。$O(1)$のヤコビ係数を仮定した場合、予測される断面積は約8 fbであり、実験的制限と整合的で、$v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$を予測する。

ABSTRACT

Very recently we proposed a predictive 2 Higgs Doublet Model with $S_{3}$ flavour symmetry that successfully accounts for fermion masses and mixings. In this letter, motivated by the $750$ GeV Higgs diphoton resonance recently reported by the ATLAS and CMS collaborations, we modify this model by adding exotic top partners with electric charge $\frac{5}{3}$ and a electrically charged scalar singlet. These exotic top partners decay into a charged scalar singlet and the SM up type quarks, whereas the charged scalar singlet will mainly decay into SM up and down type quarks. This simple modification enables our model to successfully account for the Higgs diphoton excess at $750\, ext{GeV}$ provided that the exotic quark masses are in the range $[1,2]$ TeV, for $O(1)$ exotic quark Yukawa couplings.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した$750\,\text{GeV}$の二光子共鳴を、予測可能なフレーバーモデルの文脈で説明すること。
• 既存の$S_3$ フレーバー対称性を有する2HDMに、$+\frac{5}{3}$ 電荷を有するExotic $+\frac{5}{3}$-charged topパートナーや電荷を持つスカラーダイレクトを導入して拡張すること。
• フェルミオンの質量および混合が保たれる一方で、$750\,\text{GeV}$で共鳴を生成できるようにモデルを構築すること。
• $Z_{14}$対称性の破れのスケールを制約し、共鳴を説明するための妥当なパラメータ領域を予測すること。

提案手法

• 電荷$+\frac{5}{3}$を有する4つの$SU(2)_L$スカラーダイレクトで、$S_3$ ダブルレットとして変換するExoticクォークを導入し、$Z_{14}$対称性の破れを起こすスカラー$\chi$と結合させる。
• ExoticクォークがSMの上型クォークに崩壊するのを媒介する電荷を持つスカラーダイレクトを仮定する。
• Exoticクォークを含む三角形ダイアグラムを通じて、ループ誘導のグルーオン融合によって$\chi$を生成する。
• ループ関数$F(x_T)$および$K^{gg}$補正付きの行列要素を用いて、二光子崩壊幅$\Gamma(\gamma\gamma \to \chi)$およびグルーオン融合断面積$\sigma(pp \to \chi \to \gamma\gamma)$を計算する。
• MSTW2008 NLOグルーオン分布関数を用い、$v_\chi$およびヤコビ係数を変化させて実験的断面積制限に一致させる。
• 実験的断面積制限（CMS：$6\pm3\,\text{fb}$、ATLAS：$10\pm3\,\text{fb}$）を満たすために、$v_\chi$の制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $S_3$ 対称性を有する2HDMにおける$Z_{14}$対称性の破れを起こすスカラーが、$750\,\text{GeV}$の二光子共鳴を説明できるか。
• RQ2 Exotic $+\frac{5}{3}$-charged topパートナ一は、共鳴の生成および崩壊をどのように媒介するか。
• RQ3 実験的断面積制限を満たすために、スカラーの真空期待値$v_\chi$およびExoticクォークのヤコビ係数の妥当なパラメータ範囲は何か。
• RQ4 このモデルは、フェルミオンの質量構造および観測された二光子過剰の両者と整合的か。

主な発見

• $750\,\text{GeV}$の二光子共鳴は、$Z_{14}$対称性の破れを起こすスカラー$\chi$に起因し、Exotic $+\frac{5}{3}$-charged topパートナ一のループを通じたグルーオン融合で生成される。
• ヤコビ係数が$O(1)$で$v_\chi \approx 1.2\,\text{TeV}$の場合、予測される二光子断面積は約8 fbであり、CMSの$6\pm3\,\text{fb}$およびATLASの$10\pm3\,\text{fb}$の実験的制限と整合的である。
• 全断面積は$v_\chi$およびExoticクォークのヤコビ係数に強く依存し、ヤコビ係数が大きく、$v_\chi$が小さい場合に断面積が顕著に増加する。
• 実験的制限を満たすためには、$v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$である必要があり、$Z_{14}$対称性の破れのスケール、および$\chi$とExoticクォークの質量が同程度のテルバスケールに固定される。
• このモデルは、$S_3$ フレーバー対称性によるフェルミオンの質量および混合の説明と、共鳴の説明を統合し、既存のデータと整合的である。
• 電荷を持つスカラーダイレクトは、ExoticクォークがSMの上型および下型クォークに崩壊するのを媒介するが、$\chi$ボソンはExoticクォークを含むループ図を通じて主に光子に崩壊する。