[論文レビュー] The Fourth Generation Quark and the 750 GeV Diphoton Excess

Yu-Jie Zhang, Bin-Bin Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、LHCランIIにおけるCMSおよびATLASが観測した750 GeVの二光子崩壊過剰現象が、第四世代クォークの束縛状態に起因する可能性を提案している。具体的には、質量380 GeVの$z$および$y$クォークからなる$(z\bar{z} + y\bar{y})/\sqrt{2}$状態$\eta_{zy}(1S)$がその原因である。非相対論的QCDおよび束縛状態計算を用いて、$\sqrt{S} = 13$ TeVにおける二光子生成断面積を$5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fbとして計算し、観測された過剰現象と整合的である。

ABSTRACT

Recently, the CMS and ATLAS collaborations have reported a diphoton peak at 750 GeV in the RunII of LHC at 13 TeV. We assume that the heavy fourth generation quark doublet $z,~y$ with $380 $GeV mass, and the width of $z,t$ is much less $b$ quark. Then we show that the contributions of the $(z \bar z+y \bar y)/\sqrt{2}$ bound state $η_{zy}(1S)$ to the diphoton measurements through $σ(pp o η_{zy}(1s) o γγ) $ are $ 5.6^{+5.6}_{-2.8} { m fb}$ at $\sqrt S=13$ TeV. They are constant with the 750 GeV diphoton excess measured by the CMS ant ATLAS collaborations.

研究の動機と目的

• LHCランIIにおけるCMSおよびATLASが観測した750 GeV二光子過剰現象を説明すること。
• 第四世代クォークの束縛状態がその過剰現象を説明できるかを調査すること。
• グルーオン融合による$\eta_{zy}(1S)$状態の生成および二光子崩壊のモデル化を行うこと。
• 予測された断面積がCMSおよびATLASの実験的測定と整合的であるかを検証すること。

提案手法

• 質量380 GeVで標準模型クォークとの結合が抑制された重い第四世代クォークダブルット（$z$, $y$）を仮定する。
• $\eta_{zy}(1S)$状態を$z\bar{z}$および$y\bar{y}$のスピン singlet 束縛状態としてモデル化し、水素様径方向関数を用いた変分法により波動関数を導出する。
• 一次近似の電磁力学および非相対論的QCD形式を用いて、二光子崩壊幅$\Gamma(\eta_{zy} \to \gamma\gamma)$を計算する。
• LOパートンレベル断面積とPDF畳み込みを用いて、グルーオン融合生成断面積$\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$を計算する。
• $z$クォーク質量スケールで$\alpha_s \sim 0.162$および$\alpha \sim 1/120$を用い、ポテンシャルに相対論的補正を含める。
• $\sqrt{S} = 13$ TeVにおける積分$\int_{\tau}^{1} \frac{dx}{x} f(x)f(\tau/x)$を用いて全断面積を評価し、その値は2137である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第四世代クォークの束縛状態は、CMSおよびATLASが観測した750 GeV二光子過剰現象を説明できるか？
• RQ2 $\sqrt{S} = 13$ TeVにおける$\eta_{zy}(1S)$状態の二光子生成断面積はどのくらいか？
• RQ3 電弱および強い崩壊モードの比較は、$z\bar{z}$および$y\bar{y}$成分間のキャンセルを考慮してどのようになるか？
• RQ4 相対論的補正およびヒッグス交換ポテンシャルは、結合エネルギーおよび原点における波動関数にどのように寄与するか？
• RQ5 予測された断面積は、観測された6 ± 3 fb（CMS）および10 ± 3 fb（ATLAS）の測定値と整合的か？

主な発見

• $\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$の二光子生成断面積は、$\sqrt{S} = 13$ TeVで$5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fbと計算された。
• $\eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma$の分岐比は$2.8 \times 10^{-3}$であり、二光子幅は0.86 MeVである。
• 束縛状態の質量は$M_{\eta_{zy}(1S)} = 750$ GeVであり、観測されたピークと整合的である。
• グルーオン融合生成幅$\Gamma(\eta_{zy}(1S) \to gg)$は0.30 GeVであり、顕著なハドロン生成を示唆している。
• 原点における波動関数は$|R_{1s}(0)|^2 / m_{\eta_{zy}}^2 = 6.9$ GeV$^{-3}$を満たしており、崩壊率計算において重要である。
• $n \geq 2$の高エネルギー状態$\eta_{zy}(ns)$が、観測された幅（45 GeV）に寄与する可能性があり、実験的幅の説明に寄与する可能性がある。