[논문 리뷰] $\boldsymbol{SU(3)_{C}\otimes SU(3)_{L}\otimes U(1)_{X}}$ models in view of the $750$ GeV diphoton signal

R. Martı́nez, F. Ochoa외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명하기 위해 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 모델을 프레임워크로 사용한다. 이중광자 붕괴가 고유의 전하를 가진 벡터 보손, 전하를 가진 힉스 보손, 그리고 토프/보텀/전자 유사 고유의 페르미온에 의해 일어나는 고리 수준의 과정을 분석하여 간섭 효과가 생산 단면적을 크게 변화시킴을 보여주며, 특히 고유 쿼크 질량이 900 GeV 이상이고 양자역학적 결합 상수가 작을 경우 $\beta = \pm 1/\sqrt{3}$ 및 $\beta = \pm \sqrt{3}$ 모델이 특정 질량과 결합 조건 하에서 신호를 수용할 수 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

We analyze the recent diphoton signal reported by ATLAS and CMS collaborations in the context of the $SU(3)_{C}\otimes SU(3)_{L}\otimes U(1)_{X}$ anomaly free models, with a 750 GeV scalar candidate which can decay into two photons. These models may explain the 750GeV signal by means of one loop decays to $γγ$ through charged vector and Higgs bosons, as well as top-, bottom- and electron-like exotic particles that arise naturally from the condition of anomaly cancellations of the $SU(3)_{C}\otimes SU(3)_{L}\otimes U(1)_{X}$ models.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 공명 현상을 설명하는 데 있어 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 750 GeV 스칼라 보손의 이중광자 붕괴가 고유의 벡터 보손, 전하를 가진 힉스 보손, 고유의 페르미온을 포함한 고리 도형을 통해 매개될 수 있는지 확인하는 것.
• 페르미온, 벡터 보손, 힉스 기여 간의 간섭 효과가 이중광자 생성 단면적에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 관측된 6 fb 단면적과 45 GeV의 너비를 바탕으로 고유 쿼크 질량과 양자역학적 결합 상수 등의 모델 매개변수를 제약 조건에 맞추는 것.

제안 방법

• 스칼라 트리플렛 $\chi$, $\rho$, $\eta$를 통한 대칭 자동 비틀림을 수반하는 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 게이지 군을 사용하며, 이로 인해 고유 상태가 질량을 갖게 된다.
• 전하 생성자 $Q = T_3 + \beta T_8 + X I$에서 $\beta$ 매개변수에 의해 페르미온 성분이 결정되며, $\beta = \pm \sqrt{3}$ 및 $\pm 1/\sqrt{3}$의 경우를 고려한다.
• 고리 수준에서의 이중광자 붕괴 진폭은 형상 인자 $F_0$, $F_{1/2}$, $F_1$를 사용하여 계산되며, 고유 페르미온 $\psi$, 전하를 가진 벡터 보손 $K^\pm$, 전하를 가진 힉스 보손 $h^{\pm}$ 또는 $h^{\pm\pm}$의 기여를 포함한다.
• 페르미온, 벡터 보손, 힉스 기여 간의 간섭 효과는 전체 진폭 표현을 사용하여 체계적으로 평가되며, 페르미온과 보손 기여 간의 부호 차이를 포함한다.
• 관측된 이중광자 단면적 6 fb와 너비 45 GeV를 바탕으로 제약 조건을 적용하며, LHC에서의 고유 쿼크 질량에 대한 제약도 포함된다.
• 다양한 $\beta$ 값과 모델 유형(A 및 B)에 대해 생산 단면적 $\sigma(pp \to \xi_\chi \to \gamma\gamma)$의 수치적 등고선을 질량과 결합 상수를 변화시켜 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고리 수준의 붕괴를 통해 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 모델이 750 GeV 이중광자 공명 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 고유 페르미온, 전하를 가진 벡터 보손, 전하를 가진 힉스 보손 간의 간섭 효과가 이 모델에서 이중광자 생성 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 6 fb 단면적과 45 GeV 너비를 재현할 수 있는 고유 쿼크 질량과 양자역학적 결합 상수의 허용 가능한 매개변수 범위는 무엇인가?
• RQ4 왜 $\beta = \sqrt{3}$ 모델은 고려된 $\beta$ 값들 중에서 가장 작은 양자역학적 결합 상수를 보이는가?
• RQ5 어떤 조건에서 벡터 보손 기여가 존재함에도 불구하고, 페르미온 및 힉스 기여가 타당한 경우에도 모델이 배제되는가?

주요 결과

• $\beta = 1/\sqrt{3}$일 경우, 고유 쿼크 질량 $m_T > 900$ GeV 및 양자역학적 결합 상수 $h/4\pi < 0.5$ 조건 하에서 모델이 타당하며, 특히 페르미온 기여만을 고려할 경우에 해당한다.
• $\beta = -1/\sqrt{3}$일 경우, 페르미온 및 전하를 가진 힉스 기여를 포함하면 $m_T > 900$ GeV 조건 하에서 허용 영역이 존재하지만, 벡터 보손 기여는 단면적을 강하게 억제한다.
• $\beta = \sqrt{3}$ 모델은 $h/4\pi < 0.5$ 이며 $m_T > 1.8$ TeV일 경우, 벡터 보손 기여에 의해 지배적인 간섭으로 인해 배제된다.
• $\beta = -\sqrt{3}$ 모델도 유사한 행동을 보이며, 벡터 보손 기여로 인해 강한 억제가 발생하지만, 모든 기여를 포함할 경우 허용 영역이 나타난다.
• 간섭 효과는 특히 벡터 보손($K^\pm$)에서 가장 두드러지며, 이는 가장 큰 억제 효과를 유도한다. 반면 전하를 가진 힉스 기여는 가장 작은 영향을 미친다.
• 도표의 초록색(페르미온 전용) 및 파랑색(전체 고리) 선은 전체 진폭이 개별 기여가 배제된 경우에도 허용 영역을 복원할 수 있음을 보여주며, 간섭 효과의 중요성을 강조한다.