[논문 리뷰] A composite scalar hint from di-boson resonances?

Haiying Cai, Thomas Flacke외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 추가적인 $SU(6)/SO(6)$ 섹터를 포함한 $SU(4)/Sp(4)$ 코셋 기반의 복합 힉스 모형을 제안하며, 이는 Wess-Zumino-Witten 이상항을 통해 이보손 최종 상태에 결합하는 진성 Nambu-Goldstone 보손(pNGB)을 생성한다. 모형은 ATLAS의 $WW$ 및 $ZZ$ 채널에서 관측된 2 TeV 이보손 과잉 현상(10 fb의 단면적)을 설명하면서도, LHC 런 I 기간 동안의 $Z\gamma$, $\gamma\gamma$, 및 이점검출 최종 상태에 대한 제약 조건을 유지한다.

ABSTRACT

We study the light scalar resonance sector of a composite Higgs model UV embedding based on the coset $SU(4)/Sp(4)$. Beyond the Higgs multiplet, the pseudo Nambu-Goldstone sector of this model contains Standard Model singlets which couple to the Standard Model gauge bosons through Wess-Zumino-Witten anomaly terms. They can thus be produced in gluon fusion and decay into either gluons or pairs of electroweak gauge bosons $WW$, $ZZ$, $Zγ$, or $γγ$. In this letter we show that one of the pseudo Nambu-Goldstone boson states has appropriate couplings in order to explain a di-boson excess in the $WW$ channel whilst not being excluded by LHC run I bounds on the di-jet, $Zγ$ and $γγ$ decay channels. A di-boson resonance production cross section of $\sim$ 10 fb at LHC run I is not a prediction of the model, but can be obtained if the confining gauge group is of high rank.

연구 동기 및 목표

• 복합 힉스 모형에서 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 전역 대칭 붕괴 패턴이 2 TeV 이보손 공진 과잉 현상을 설명할 수 있는 pNGB를 생성할 수 있는지 탐색한다.
• 해당 pNGB가 기존 LHC 제약 조건을 위반하지 않으면서 Wess-Zumino-Witten 이상항을 통해 전자약력 보손에 결합할 수 있는지 확인한다.
• 모형의 분해비율과 생성 단면적이 관측된 약 10 fb의 단면적을 $WW$ 및 $ZZ$ 채널에서 2 TeV에서 일치시킬 수 있는지 평가한다.
• 특히 $Z\gamma$ 및 $\gamma\gamma$ 최종 상태에서의 향후 LHC 탐색을 통해 모형의 검증 가능성 여부를 평가한다.

제안 방법

• 모형은 네 개의 기본 표현 쿼크 $Q$와 여섯 개의 반대칭 표현 페르미온 $\chi$를 포함하는 $Sp(2N_c)$ 봉쇄 양성치 이론에 기반하며, 전역 대칭으로서 $SU(4)\times SU(6)\times U(1)$를 형성한다.
• $SU(4)\times SU(6)\to Sp(4)\times SO(6)$의 자발적 대칭 붕괴는 복합 힉스 및 추가적인 SM 싱เก트론 pNGB들을 생성한다.
• pNGB 섹터에는 글루온 및 전자약력 보손($WW$, $ZZ$, $Z\gamma$, $\gamma\gamma$)에만 이상항을 통해 결합하는 중성자 편미분 상태 $\sigma$가 포함되어 있다.
• $\sigma$의 분해비율은 군 이론과 이상항의 구조에 의해 완전히 결정되며, 유일한 자유 매개변수로는 랭크 $N_c$와 붕괴 상수 $f_Q$, $f_\chi$가 있다.
• 글루온 융합에서의 생성 단면적은 이상항 유도 결합을 통해 계산되며, $N_c$, $f_Q$, $f_\chi$에 의존한다. 10 fb의 단면적이 요구되므로 $N_c=10$ 이고 $f_Q=f_\chi=500$ GeV여야 한다.
• 모형의 현상학적 특성은 $Z\gamma$, $\gamma\gamma$, 및 이점검출 최종 상태에 대한 LHC 런 I 제약 조건과 비교되었으며, 선택된 매개변수 조건에서 일관됨을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 힉스 모형에서 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 대칭 붕괴 패턴이 $WW$ 및 $ZZ$ 채널에서 2 TeV 이보손 공진 과잉 현상을 설명할 수 있는 pNGB를 생성할 수 있는가?
• RQ2 pNGB가 $WW$, $ZZ$, $Z\gamma$, $\gamma\gamma$ 최종 상태에 이상항을 통해 결합하는 방식이 기존 LHC 런 I 제약 조건과 일치하는가?
• RQ3 글루온 융합에서의 pNGB 생성 단면적이 관측된 약 10 fb의 비율과 2 TeV에서 일치하는가? 이를 위해 필요한 모형 매개변수는 무엇인가?
• RQ4 $Z\gamma$ 및 $\gamma\gamma$ 붕괴 채널이 이 편미분 모형을 다른 이보손 공진 해석과 구별하기 위한 청결한 탐사 수 Mittel로 기능할 수 있는가?
• RQ5 봉쇄 양성치 이론의 랭크 $Sp(2N_c)$와 붕괴 상수 $f_Q$, $f_\chi$는 공진자의 생성 단면적과 분해비율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이상항을 통한 이보손 최종 상태에 대한 결합을 갖는 진성 Nambu-Goldstone 보손 $\sigma$는 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 복합 힉스 모형에서 자연스럽게 발생한다.
• $\sigma$의 $WW$, $ZZ$, $Z\gamma$, $\gamma\gamma$로의 분해비율은 군 이론과 이상항의 구조에 의해 완전히 결정되며, $N_c$, $f_Q$, $f_\chi$ 이외의 자유 매개변수가 없고, 이는 유일한 자유 매개변수이다.
• $N_c=10$ 이고 $f_Q=f_\chi=500$ GeV일 경우, 모형은 2 TeV 공진자를 생성하며, 글루온 융합 단면적이 약 10 fb로 ATLAS 과잉 현상과 일치한다.
• 모형은 $Z\gamma$, $\gamma\gamma$, 및 이점검출 최종 상태에 대한 LHC 런 I 제약 조건과 일치한다. 예측된 분해비율은 관측된 한계 이하에 위치해 있다.
• $Z\gamma$ 및 $\gamma\gamma$ 채널은 측정 가능한 비율을 예측하며, 향후 런 II 및 LHC 데이터에서 모형을 시험하기에 이상적인 조건을 제공한다.
• 공진자의 질량는 모형에 의해 고정되지 않으며, 명시적 $U(1)$ 붕괴에 의해 유도되며, 관측된 과잉 현상과 일치하기 위해 2 TeV로 조정 가능하다.