[논문 리뷰] A 750 GeV graviton and the Higgs as a pNGB

Ezequiel Álvarez, Leandro Da Rold외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상이 두 개의 장소로 구성된 모델에서 질량이 큰 스핀-2 중력보일 수 있으며, 힉스 보손이 준-나무-골드스톤 보손(pNGB)임을 제안한다. pNGB 성질은 종방향 전자약력 보손에 대한 결합을 억제하여 엄격한 $VV$ 붕괴 제약 조건을 피하게 하며, 부분 복합성은 렙톤 채널의 결합을 억제한다. 제3세대 쿼크와 복합 페르미온에서 온 루프 보정은 무시할 만큼 작으며, 이는 이중광자 신호를 재현하고 모든 실험 제약 조건을 만족시키는 자연스러운 광범위한 매개변수 영역을 허용한다.

ABSTRACT

We study the diphoton excess at 750 GeV reported by ATLAS and CMS, by assuming that it corresponds to a new spin-two resonant state. We model this state as a massive graviton in a two-site model. We show that the very stringent bounds from $VV$ final states can be evaded naturally by considering that the Higgs is a pseudo Nambu-Goldstone boson. In this case the couplings of the graviton to the longitudinal electroweak gauge bosons can be parametrically suppressed. On the other hand, partial compositeness allows to suppress the leptonic channels. We compute loop-induced contributions to the graviton couplings by the presence of the SM third generation of quarks and composite partners of the SM fermions and obtain that they are not important. We find that the diphoton signal and the experimental constraints from other decay channels can be reproduced in a large and natural region of the parameter space of the theory.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 공진 상태를 종래의 $VV$ 최종 상태에서의 엄격한 실험 제약 조건을 피하는 질량이 큰 스핀-2 상태로 설명하고자 한다.
• 힉스 보손이 준-나무-골드스톤 보손(pNGB)임을 가정할 경우, 종방향 전자약력 보손에 대한 결합이 자연스럽게 억제되어 미세조정 없이 $VV$ 제약 조건을 피할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 부분 복합성이 렙톤 붕괴 채널의 결합을 억제함으로써 실험 데이터와의 일치도 더욱 향상됨을 보여주고자 한다.
• 표준모형 제3세대 쿼크와 복합 페르미온에서 온 루프 유도 보정을 계산하여, 중력보-광자 및 중력보-글루온 결합에 미치는 영향을 분석하고, 그 크기가 관련 매개변수 영역에서 무시할 만큼 작음을 보여주고자 한다.

제안 방법

• 강한 상호작용을 갖는 복합 부문이 전역 대칭성을 깨는 두 장소로 구성된 히칼로지컬 유사 모델에서 공진 상태를 질량이 큰 중력보로 모델링한다.
• 힉스 보손이 전역 대칭의 자발적 위반에 의해 기인한 pNGB로 발생한다고 가정하여, $WW$ 및 $ZZ$ 결합의 자연스러운 억제를 가능하게 한다.
• 부분 복합성을 사용하여 렙톤에 대한 결합을 억제함으로써 렙톤 최종 상태의 붕괴 분율을 감소시킨다.
• 차원 정규화를 사용하여 $D=4-\epsilon$에서 중력보-광자 및 중력보-글루온 결합에 대한 1 루프 보정을 계산하며, 톰 쿼크와 무거운 페르미온 파트너의 기여를 포함한다.
• 표준모형 페르미온의 경우 $\mu = m_X \approx 750$ GeV, 복합 페르미온의 경우 $\mu = m_{\psi_1} \sim \text{TeV}$에서 정규화하여 큰 로그 항을 피한다.
• 물리적 스케일에서 유한한 결과를 보장하기 위해, $\tau < 1$ (표준모형) 및 $\tau > 1$ (복합 페르미온)의 경우에 대해 루프 함수 $A_G(\tau, \mu)$를 포함한 효과적 결합 $C_{\gamma}^{\text{eff}}$와 $C_g^{\text{eff}}$를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV의 질량을 갖는 스핀-2 공진 상태가 $VV$ 최종 상태에서의 엄격한 제약 조건을 피하면서도 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 힉스 보손의 pNGB 성질이 종방향 $W$ 및 $Z$ 보손에 대한 결합을 자연스럽게 억제함으로써 $VV$ 붕괴 제약 조건을 피할 수 있는가?
• RQ3 표준모형 제3세대 쿼크와 복합 페르미온에서 온 루프 보정이 중력보-광자 및 중력보-글루온 결합에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 이중광자 신호와 모든 다른 실험 제약 조건을 동시에 만족시키는 자연스러운 광범위한 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ5 예를 들어 $\sigma_{ZZ}$, $\sigma_{HH}$, $\sigma_{Z\gamma}$ 사이의 상관관계 등, 모델의 구별 가능한 예측은 무엇인가?

주요 결과

• pNGB 힉스 메커니즘은 종방향 $W$ 및 $Z$ 보손에 대한 결합을 매개변수적으로 억제하여, 미세조정 없이도 $VV$ 붕괴 제약 조건을 자연스럽게 피한다.
• 부분 복합성은 렙톤 붕괴 채널의 결합을 억제하여 붕괴 분율을 추가로 감소시키며, 실험 데이터와의 일치도 향상된다.
• 표준모형 톰 쿼크와 복합 페르미온에서 온 중력보-광자 결합에 대한 1 루프 보정은 작으며, 선호되는 매개변수 영역에서는 나무 수준의 물리적 현상에 영향을 주지 않는다.
• $C_H \sim 0.5$일 경우 복합 스케일 $M_1$은 1–2 TeV까지 낮출 수 있으나, $C_H = 1$일 경우 $M_1$은 4–5 TeV여야 하므로 자연스러운 매개변수 범위가 존재함을 시사한다.
• 모델은 $\sigma_{ZZ}$, $\sigma_{HH}$, $\sigma_{Z\gamma}$ 사이의 상관관계를 예측하며, 향후 측정을 통해 모델의 일관성을 검증할 수 있다.
• 효과적 결합 $C_{\gamma}^{\text{eff}}$는 루프 보정에 대해 안정하며, $\tau < 1$ 및 $\tau > 1$의 경우에 대해 루프 함수 $A_G(\tau, \mu)$가 적절히 처리되어 유한한 결과를 보장한다.