[論文レビュー] The 750 GeV diphoton excess in a two Higgs doublet model and a singlet scalar model, with vector-like fermions, unitarity constraints, and dark matter implications

Shrihari Gopalakrishna, Tuhin Subhra Mukherjee|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける750 GeVの二光子崩壊過剰現象を、二重ヒッグス・ダブルット模型（2HDM）と、ベクトル型フェルミオン（VLF）を伴うシングレットスカラー模型の2つのBSMモデルを通じて調査する。VLFは、二光子断面積に必要な有効な$φ\gamma\gamma$および$\phi gg$結合を生成でき、ユニタリティ、LHC制約、およびダークマターの残存密度を満たす。安定で中性のVLFをダークマターとして持つシングレット模型は、正しい残存密度と直接検出率を達成する。

ABSTRACT

We explore the possibility of a beyond the standard model scalar ($ϕ$) as a possible explanation of the diphoton resonance at 750~GeV invariant mass reported by the ATLAS and CMS collaborations at the large hadron collider (LHC). We first present in a model-independent way the scalar-gluon-gluon and scalar-photon-photon effective couplings needed for obtaining the required diphoton cross-section at the LHC for different total widths. We investigate here two new-physics possibilities that can generate these effective couplings, namely, (i) the 2-Higgs-doublet model (2HDM) in the alignment limit, and (ii) a singlet scalar, with vector-like fermions added and playing a crucial role in generating the effective couplings. We present the regions of model parameter space which are allowed by direct LHC and perturbative unitarity constraints, and that give the required diphoton cross-section at the LHC for various total widths. In the singlet case, we include the possibility that $ϕ$ decays into a pair of neutral stable vector-like fermions that could be dark matter. We find regions of parameter-space of the singlet model that gives the required diphoton rate, have the correct dark matter relic-density, have dark matter direct-detection rates compatible with current direct-detection experiments, and satisfy LHC bounds and perturbative unitarity constraints.

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、モデルに依存しない有効結合を用いて説明すること。
• 2HDMおよびシングレットスカラー模型におけるベクトル型フェルミオン（VLF）が、必要な$\phi\gamma\gamma$および$\phi gg$結合を生成できるかどうかを調査すること。
• 摂動的ユニタリティ、LHC直接探索の制約、およびさまざまな全幅に対して正しい二光子断面積を満たすパラメータ領域を特定すること。
• スカラー$\phi$が安定なVLFの対に崩壊する可能性を検討し、それが正しい残存密度と直接検出信号を持つダークマター候補として成立するかを調査すること。

提案手法

• 異なる全幅に対して観測された二光子断面積を再現するために必要な、モデルに依存しない有効な$\phi\gamma\gamma$および$\phi gg$結合の分析。
• 2HDM（タイプI, II, X）およびVLFを伴うシングレットスカラー模型における、$\phi\gamma\gamma$および$\phi gg$結合の1ループ計算。
• 小さなヒッグス混合の極限においても、可視系と隠れた系との間を媒介するVLF由来の結合を含める。
• $\psi\psi \to \text{SM}$の散乱によるダークマターの残存密度の計算を、ブレイト・ウィグナー共鳴子因子と$\phi$媒介の$\psi$-核子散乱を用いて行う。
• 広帯域共鳴子に対して大きな結合を必要とする場合の摂動的ユニタリティ制約を適用して制限を加える。
• LHC制約（$\phi \to hh$、$\phi \to WW$、2HDMにおける$\phi \to $ 帯電ヒッグス）との比較

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMまたはシングレットスカラー模型におけるベクトル型フェルミオンが、750 GeVの二光子過剰現象を説明するために必要な$\phi\gamma\gamma$および$\phi gg$結合を生成できるか？
• RQ2 摂動的ユニタリティおよびLHC直接探索の制約を満たす2HDMおよびシングレット模型の有効なパラメータ領域は何か？
• RQ3 安定で中性のベクトル型フェルミオンがシングレット模型から生成され、正しい残存密度と直接検出率を持つ有効なダークマター候補として成立できるか？
• RQ4 VLFの存在が、特に$\Gamma_\phi \gtrsim 1$ GeVの広帯域共鳴子において、全幅および二光子断面積に与える影響は何か？
• RQ5 $\phi \to hh$および$\phi \to $ 帯電ヒッグス崩壊が、モデルの妥当性に与える影響は何か？

主な発見

• ベクトル型フェルミオンを伴うアライメント極限の2HDMは、特定のタイプ（例：タイプ-X）およびVLF質量に対しては必要な二光子断面積を生成できるが、限定的である。
• シングレット模型では、安定で中性のベクトル型フェルミオンが、$\psi\psi \to \text{SM}$散乱による過程で正しい残存密度を達成できる。
• VLF質量が約375 GeVで、$\phi\psi\psi$結合が適切に調整されている場合、直接検出制約を満たす。
• 全幅が大きい場合（$\Gamma_\phi \gtrsim 30$ GeV）、二光子断面積は、ベクトル型クォーク質量が1000 GeV未満である場合にのみ達成可能であり、これはLHC直接探索によって制限されるが、状態が長寿命である限りは例外となる。
• $\phi \to hh$崩壊モードは厳しい制約を課す。2%を超えるBrは、すでに二ヒッグスLHCデータによって除外されている。
• 質量が約375 GeVの帯電ベクトル型レプトンは、$\phi\to\gamma\gamma$部分幅を顕著に増大させ、LHC探索で探査可能である。