[論文レビュー] The force awakens - the 750 GeV diphoton excess at the LHC from a varying electromagnetic coupling

Ulf Danielsson, Rikard Enberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、電磁的結合定数が変化する枠組みにおいて、750 GeVの重いスカラー粒子がLHCで観測されたdiphoton過剰に起因すると提案している。スカラーはクォーク-反クォーク対生成または光子-光子融合によって生成され、主にdiphotonに崩壊する。モデルはスカラー質量を750 GeV、新しい物理学のスケールを1.5–2 TeVに固定し、三体崩壊による特徴的なdilepton-photons共鳴を予測する。

ABSTRACT

We show that the recent 750 GeV diphoton excess observed at the LHC may be explained by the production of a scalar of the type involved in Bekenstein's framework for varying-$\alpha$ theories, with the difference that the scalar in our model has a large mass. The model has only two free parameters, the mass of the scalar and the scale of this new physics, which are fixed by the LHC excess to 750 GeV and 1.5-2 TeV, respectively. We discuss collider and cosmology aspects of the model, and give predictions for future LHC searches. In particular, the scalar is dominantly produced by quark-antiquark fusion in association with a photon or a fermion pair. In addition, it can be produced in the s-channel in photon-photon fusion. Its dominating decay is to diphotons, but it also has a large three-body decay to a fermion pair and a photon, which provides an interesting search channel with a dilepton-photon resonance at 750 GeV. We also comment on the possibility that the new physics is related to extra dimensions or string theory.

研究の動機と目的

• LHCで観測された750 GeVのdiphoton共鳴を、電磁的結合定数が変化する枠組みにおけるスカラー粒子によって説明すること。
• 標準模型の拡張では説明がつかない共鳴を説明するため、非常に大きな質量と2つの自由パラメータを持つスカラーを導入すること。
• 将来のLHCランでモデルを検証可能な新しい加速器シグネチャー（特にdilepton-photons共鳴）を予測すること。
• 提案されたスカラーの宇宙論的および追加次元的意味を検討し、ストリング理論などのより広範な理論的枠組みと結びつけること。

提案手法

• Bekensteinの変化する-$\alpha$理論を、750 GeVという非常に大きな質量を持つスカラー場を含む形に拡張する。
• 自由パラメータが2つだけのモデルを構築する：スカラー質量と新しい物理学のスケール。LHCデータにより、このスケールは1.5–2 TeVに固定される。
• クォーク-反クォーク対融合および光子-光子融合による生成断面積を計算し、支配的な生成モードを特定する。
• 崩壊分支比を計算し、diphotonへの崩壊が支配的であるとともに、フェルミオン対と光子への三体崩壊が顕著であることを示す。
• 有効場理論の手法を用いて、スカラーと標準模型の場との相互作用を記述する。
• モデルが宇宙論的制約と整合しているかを分析し、追加次元やストリング理論との潜在的な関連性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変化する電磁的結合定数理論における質量のあるスカラーは、750 GeVのdiphoton過剰を説明できるか？
• RQ2 LHCにおけるスカラーの支配的生成メカニズムは何か？標準模型の期待値と比べてどうか？
• RQ3 スカラーの主要な崩壊チャネルは何か？diphoton終状態以外に観測可能なシグネチャーは存在するか？
• RQ4 特にスカラー質量と新しい物理学のスケールというモデルのパラメータ空間が、観測された共鳴をどのように制約するか？
• RQ5 このスカラーは追加次元やストリング理論に関連している可能性があるか？その場合、標準模型を越える素粒子物理学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 観測されたdiphoton共鳴により、スカラー質量は750 GeVに固定され、LHCデータのピークと一致する。
• 新しい物理学のスケールは1.5–2 TeVに制限され、モデルのパラメータ空間と加速器の制約と整合的である。
• 支配的な生成モードは、光子またはフェルミオン対とともに生成されるクォーク-反クォーク対融合、およびsチャネルの光子-光子融合である。
• スカラーは主にdiphotonに崩壊するが、フェルミオン対と光子への大きな分支比を有しており、750 GeVでdilepton-photons共鳴の探索が可能となる。
• モデルは将来の高統計的データを用いたLHC探索で探査可能な特徴的な三体崩壊チャネルを予測する。
• この枠組みは宇宙論的観測と整合的であり、追加次元やストリング理論を含む理論に埋め込まれる可能性がある。