[論文レビュー] The Minimal Scalar-Stealth Top Interpretation of the Diphoton Excess

Wei Chao, Ran Huo+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 101

ひとこと要約

本論文は、$Z_2$ 対称性を備えたスカラー・シングレットと軽量で「ステルス」性を持つベクトル型トップクォークを用いて、LHCにおける750 GeVのダイフォトン過剰を最小限のモデルで説明する。このモデルは直接的なLHC探索を回避できる。ステルス型トップクォークは、ダークマターとほぼデゲネレートしており、ループ図を通じてダイフォトンの崩壊断面積を増幅させる。400–500 GeVの質量と0.5–1.5のユカワ結合が、観測された5–10 fbの断面積を説明するとともに、ジュートンや他のチャネルの制約を満たす。

ABSTRACT

A resonance near 750 GeV has been observed at both the ATLAS and CMS experiments in its diphoton decay channel. We propose a possible interpretation based on a simplified model: a 750 GeV singlet scalar resonance, and a minimal stealth vector quark are introduced. At the LHC, the scalar is produced through gluon fusion, and subsequently decays to diphoton final state. The light stealth quarks could enhance the diphoton rate significantly, while still keeping other channels below the current LHC search limits. We find that the stealth quarks around 400 ~ 500 GeV with its coupling to scalar around 0.5 ~ 1.5 could explain the diphoton excess, and avoid current di-jet constraints. We also comment on other potential signatures of this stealth model.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSがLHCラン2データで観測した750 GeVのダイフォトン過剰を説明すること。
• ダイフォトン断面積に必要な大きなユカワ結合と、重いベクトル型クォークに対するLHCの制約との間の矛盾を解消すること。
• スカラー・シングレットと$Z_2$ 奇性を持つベクトル型トップクォーク（ステルストップ）を含む、標準模型の最小限の拡張を提案し、直接探索を回避すること。
• ジュートン、$WW$、$ZZ$、および見えない崩壊チャネルからの制約と整合性を保つこと。
• ダイフォトン信号が増幅されつつも、他の崩壊モードが劣勢であるような有効なパラメータ空間を特定すること。

提案手法

• 750 GeVのスカラー・シングレットを導入し、それとベクトル型トップクォークとの間にユカワ相互作用を導入する。
• ベクトル型トップクォークが奇数である$Z_2$ 対称性を導入し、これにより「ステルス」性と安定性を付与する。ダークマター候補と質量がほぼデゲネレートしている。
• グルーオン融合によるループ生成と、ダイフォトン最終状態へのループ崩壊を用い、両過程を同じループ図が媒介する。
• パートン分布関数（PDF）のスケーリングを適用し、クォーク初期状態の生成よりもグルーオン融合を優遇する。
• 部分幅$\gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$、$jj$、および見えない崩壊を計算し、混合角$\varphi$を用いて、標準模型粒子への木図式崩壊を抑制する。
• LHCラン1のジュートン制約（$\sigma \cdot \text{Br} < 2200$ fb）、LUXダークマター制約、LEPによる$ZZ/WW$崩壊の制約を用いてパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー・シングレットとベクトル型トップクォークを含む最小限のモデルが、既存のLHC制約に反しない形で750 GeVのダイフォトン過剰を説明できるか？
• RQ2 軽量のベクトル型トップクォークは、どのように直接LHC探索を回避しつつ、ダイフォトン崩壊断面積を増幅できるか？
• RQ3 観測された5–10 fbのダイフォトン断面積を説明できるステルストップの質量とユカワ結合の有効なパラメータ空間は何か？
• RQ4 ジュートン、$WW$、$ZZ$、および見えない崩壊からの制約が、許容可能なパラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ5 モデルは摂動的であり、ダークマターの安定性とリリック密度と整合的であると保証できるか？

主な発見

• 質量が400–500 GeV、ユカワ結合が0.5–1.5のステルストップは、観測された5–10 fbのダイフォトン断面積を説明できる。
• $Z_2$ 奇性対称性とダークマターとの質量デゲネレートのおかげで、モデルはベクトル型クォークに対する700–900 GeVの直接LHC探索の上限を回避する。
• ジュートンチャネルの制約により、$\sigma \cdot \text{Br}(jj)$ が2200 fb未満に抑えられるが、有効なパラメータ領域ではこれを満たしている。
• 木図式崩壊（$WW$、$ZZ$、$t\bar{t}$）は混合角$\sin\varphi < 6.7 \times 10^{-3}$ によって抑制され、全幅が狭くなる。
• ダークマター質量がスカラー質量の半分を超えているか、結合定数が小さい場合には、見えない崩壊幅は無視できるほど小さくなり、ダイフォトン優位性が保たれる。
• モデルは現在のLHCおよびダークマターの制約のもとで摂動的であり、将来の$WW$、$ZZ$、$jj$ チャネル探索による検証が可能である。