[논문 리뷰] A new proposal for diphoton resonance from $E_6$ motivated extra $U(1)$

Kasinath Das, Tianjun Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV의 이광자 공명이, 질량이 약 750 GeV인 쌍으로 생성된 벡터-형 다운-타입 쿼크(xd)에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 쿼크들은 표준모형 쿼크와 싱게트럴 스칼라를 생성하며, 그 스칼라는 이후 두 개의 광자로 붕괴된다. 이 모델은 E6 대통합 이론에 뿌리를 두고 있으며, 2γ+2j 최종 상태에서 상관관계 있는 디제트 공명과 4j 최종 상태에서 두 개의 디제트 공명을 예측한다. 이들의 반응 단면적은 이광자 신호보다 약 100배 이상 크며, 향후 LHC 데이터로 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We propose that the diphoton resonance signal indicated by the recent LHC data might also arise from the pair productions of vector-like heavy down-type quarks with mass around $750$ GeV and above. The vector-like quark decays into an ordinary light quark and a Standard Model singlet scalar. The subsequent decay of scalar singlet produces the diphoton excess. Both the vector-like quark and singlet scalars appear naturally in the $E_6$, and their masses can be in the TeV scale with a suitable choice of symmetry breaking pattern. The prediction of such a proposal would be to see an accompanying dijet signal at the same mass with similar cross section in the $2γ+ 2j$ final state and two dijet resonances at the same mass for a $4j$ final state with a cross section, about 100 times larger. Both predictions can be tested easily as the luminosity accumulates in the upcoming runs of the LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 넘어서는 메커니즘을 통해 LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이광자 공명을 설명하기 위해.
• 루프 매개 스칼라 생성이 아닌, 벡터-형 다운-타입 쿼크(xd)의 쌍 생성을 통한 이광자 공명 신호의 새로운 생성 채널을 제안하기 위해.
• 자연스러운 입자 구성과 양자수를 갖춘 E6 대통합 이론 프레임워크 내에서 이 메커니즘의 타당성을 검토하기 위해.
• 향후 LHC 데이터로 검증 가능한 추가 관측 가능한 서명—2γ+2j 및 4j 최종 상태에서의 디제트 공명—을 예측하기 위해.
• 표준모형 게이지 보손으로의 붕괴에 의해 현재의 실험적 제한을 피할 수 있는, 벡터-형 쿼크에 대한 대안적 탐색 채널을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 모델은 추가적인 U(1)' 게이지 대칭을 가진 E6 대통합 이론에 기반하며, 테바 스케일에서 대칭이 깨져 잔류 U(1) 대칭을 남긴다.
• 벡터-형 다운-타입 쿼크(xd)는 색 삼중항이며 SU(2)L 단일항이며 전하가 -1/3이며, 자연스럽게 E6의 27-패킷에 포함된다.
• 싱게트럴 스칼라 역시 E6 스펙트럼의 일부이며, 쌍으로 생성된 xd 쿼크의 붕괴를 통해 생성되며, 주로 강한 상호작용을 통해 진행된다.
• 이광자 최종 상태는 이후 벡터-형 페르미온을 포함하는 루프 다이어그램을 통해 스칼라 싱게트럴의 붕괴에서 기인하며, 다수의 세대에 의해 진폭이 증폭된다.
• 스칼라 질량이 xd 쿼크 질량 근처에 안정화되는 대칭 깨짐 패턴을 사용함으로써 공명 생성이 가능해진다.
• 이광자, 2γ+2j, 4j 최종 상태에 대한 현상학적 반응 단면적을 양자수와 질량 매개변수에 기반해 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이광자 공명은 루프 매개 스칼라 생성 대신, 벡터-형 다운-타입 쿼크(xd)의 쌍 생성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 이 메커니즘은 LHC에서 다이제트 및 이광자 최종 상태에서 어떤 특징적인 서명을 갖는가?
• RQ3 E6 대통합 이론은 필요한 벡터-형 쿼크와 스칼라 싱게트럴을 적절한 양자수로 자연스럽게 수용할 수 있는가?
• RQ4 이광자 반응 단면적은 스칼라 진공 기대값과 벡터-형 쿼크 질량 등의 모델 매개변수에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 이 모델은 비초기적 양자수를 갖는 U(1)' 기반 모델에 비해 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 이 모델은 약 750 GeV에서 xd 쿼크의 쌍 생성을 통해 이광자 과잉 현상을 설명하며, 이후 경량 쿼크와 750 GeV의 스칼라 싱게트럴로 붕괴된다.
• 스칼라 싱게트럴은 벡터-형 페르미온을 포함하는 루프 다이어그램을 통해 두 개의 광자로 붕괴되며, 관측된 이광자 공명을 생성한다.
• 이 모델은 2γ+2j 최종 상태에서 이광자 공명과 같은 질량에서 디제트 공명을 예측하며, 반응 단면적이 이광자 신호와 유사하다.
• 4j 최종 상태에서는 동일한 질량에서 두 개의 디제트 공명이 예측되며, 반응 단면적이 이광자 반응 단면보다 약 100배 더 크다.
• 특히 다수의 경량 벡터-형 렙톤이 존재할 경우, 관측된 이광자 반응 단면적 3–10 fb를 수용할 수 있는 광범위한 매개변수 공간이 존재한다.
• xd 쿼크 쌍 생성을 통한 새로운 생성 채널은 기존의 표준모형 붕괴 기반 제한을 피할 수 있는, 보완적이고 잠재적으로 더 접근하기 쉬운 벡터-형 쿼크 탐색 모드를 제공한다.