[논문 리뷰] 750 GeV Diphoton Excess as a Composite (Pseudo)scalar Boson from New Strong Interaction

Pyungwon Ko, Chaehyun Yu외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 새로운 QCD 유사 농축력에 의해 형성된 복합 (진성)스칼라 보손에서 기인할 수 있다고 제안한다. 구성 입자는 벡터-유사 쿼크(Q\bar{Q}) 또는 스칼라 쿼크(\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger)일 수 있다. 이 모형은 비상대론적 QCD 계산을 통해 초과 현상을 설명하며, 스핀-삼중항 파artner와 초색-싱เก릿 다이젯/모노젯 신호와 같은 검증 가능한 신호를 예측한다.

ABSTRACT

The diphoton excess at 750 GeV would make a definite signal of new physics beyond the Standard Model, if confirmed. In this letter, we consider a possibility that the excess is due to a composite (pseudo)scalar boson, whose constituents are either new vector-like quarks (Q\bar{Q}) or scalar quarks (\widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger) which feel new QCD-like (hypercolor QCD) confining force with confinement scale \Lambda_h. Assuming m_Q (m_{\widetilde Q}) >> Lambda_h, the observed 750 GeV excess could be either Q\bar{Q} (^1S_0) state with J^{PC} = 0^{-+} or \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger (^1S_0) state with J^{PC}=0^{++}. For the Q\bar{Q} scenario, there will be a spin-triplet partner \psi_Q which is slightly heavier that \eta_Q due to the hyper fine interactions mediated by hypercolor gluon exchange; while for the \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger scenario, the spin-triplet partner \chi_{\widetilde Q} arises from higher radial excitation with non-zero orbital angular momentum. We consider productions and decays of eta_Q, eta_{\widetilde Q}, \psi_Q and \chi_{\widetilde Q} using the nonrelativistic QCD methods, and identify the parameter regions which can explain the observed diphoton excess. We discuss how to test these scenarios using the Drell-Yan process, and the forward dijet azimuthal angular distributions to determine the J^{PC} quantum number of the diphoton excess. Another important test of the model is the presence of a nearby hypercolor singlet but color-octet state like the ^1S_0 state \eta^8_Q or \eta^8_{\widetilde Q}, which may lead to dijet or mono-jet plus mono-photon event. Both possibilities of large or small width of the resonance can be accommodated depending on whether the hyper glueball states are kinematically allowed in the final state or not.

연구 동기 및 목표

• 750 GeV 이중광자 초과 현상을 새로운 QCD 유사 농축력에서 기인하는 복합 (진성)스칼라 보손으로 설명하기.
• 생산 및 붕괴 특성에 기반해 고유한 양자수 할당(J^{PC} = 0^{-+} 또는 0^{++})을 식별하기.
• 스핀-삼중항 파artner와 초색-싱게릿 색-팔승 상태인 초색-싱게릿 색-팔승 공명체 예측하기.
• Drell-Yan 반응과 전방 다이젯의 애자각 분포를 통해 J^{PC}를 결정하는 실험적 테스트 제안하기.
• 초색 글루볼 상태의 운동학적 접근 여부에 따라 붕괴 너비가 크거나 작은 경우의 매개변수 영역 탐색하기.

제안 방법

• 신규 초색 QCD 유사 농축력에 의해 작용하는 새로운 벡터-유사 쿼크(Q\bar{Q}) 또는 스칼라 쿼크(\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger)의 결합 상태로 공명체를 모형화하고, 스케일 \Lambda_h를 고려한다.
• 비상대론적 QCD 기법을 적용하여 (진성)스칼라 공명체와 그 스핀-삼중항 파artner의 생성 및 붕괴 확률를 계산한다.
• 초색 글루온이 매개하는 초미세 상호작용을 통해 편광 상태(eta_Q)와 그 스핀-삼중항 파artner(\psi_Q) 사이의 질량 분리를 예측한다.
• 비제로 궤도 운동량을 가진 고차 라디얼 진동 상태를 고려하여 스칼라 쿼크 시나리오에서 스핀-삼중항 파artner(\chi_{\widetilde{Q}})를 생성한다.
• Drell-Yan 반응과 전방 다이젯의 애자각 분포를 분석하여 공명체의 J^{PC} 양자수를 실험적으로 추출한다.
• 초색 글루볼 최종 상태가 운동학적으로 접근 가능한지 여부에 따라 공명체의 너비를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 초과 현상은 새로운 강한 상호작용에서 기인하는 복합 (진성)스칼라 보손으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 Q\bar{Q} 및 \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger 시나리오에서 공명체의 예측된 양자수(J^{PC})와 스핀-삼중항 파artner는 무엇인가?
• RQ3 Drell-Yan 반응과 전방 다이젯의 애자각 분포를 통해 공명체의 J^{PC}를 어떻게 실험적으로 결정할 수 있는가?
• RQ4 초색-싱게릿, 색-팔승 상태인 \eta^8_Q 또는 \eta^8_{\widetilde{Q}}는 어떤 테스트 가능한 서명을 제공하는가?
• RQ5 초색 글루볼 최종 상태가 붕괴 최종 상태에서 운동학적으로 접근 가능한지 여부에 따라 공명체의 너비가 크거나 작은 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 750 GeV 이중광자 초과 현상은 Q\bar{Q}의 경우 J^{PC} = 0^{-+} 또는 \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger의 경우 J^{PC} = 0^{++}인 복합 (진성)스칼라 보손으로 설명될 수 있다.
• Q\bar{Q} 시나리오에서는 초색 글루온의 교환에 의해 기인하는 초미세 분리로 인해 스핀-삼중항 파artner \psi_Q가 나타나며, 편광 상태보다 약간 무거운 질량을 가진다.
• \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger 시나리오에서는 비제로 궤도 운동량을 가진 고차 라디얼 진동 상태로 인해 스핀-삼중항 파artner \chi_{\widetilde{Q}}가 생성된다.
• Drell-Yan 반응과 전방 다이젯의 애자각 분포는 공명체의 J^{PC} 양자수를 실험적으로 결정하는 수단을 제공한다.
• 근처에 존재하는 초색-싱게릿이지만 색-팔승인 상태(예: \eta^8_Q 또는 \eta^8_{\widetilde{Q}})는 관측 가능한 다이젯 또는 모노-포톤과 함께 모노젯 신호를 유도할 수 있다.
• 초색 글루볼 최종 상태가 붕괴 최종 상태에서 운동학적으로 접근 가능한지 여부에 따라 공명체의 너비는 크거나 작아질 수 있다.