[논문 리뷰] Boosted scalar confronting 750 GeV di-photon excess

Y. Jiang, Lingfeng Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 166인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이광자 초과 현상을 설명하기 위해, 750 GeV에서 질량을 가진 중간자 CP-짝성 힉스 $Y_2$ 를 도입함으로써 보정된 스칼라 모델을 제안한다. 이 $Y_2$ 는 두 개의 고도로 부스터된, 1 GeV 이하의 단일 스칼라 유사 입자 $Y_1$ 로 붕괴되며, 각각은 응집된 이광자 제트로 붕괴된다. 복소 단일 스칼라 확장은 $Y_1$ 가 1미터의 붕괴 길이를 가지며, 1–10 fb의 이광자 단면적을 가능하게 한다. 또한 단일 스칼라의 편미분 성분은 자연스럽게 암흑물질 후보로 작용한다.

ABSTRACT

We consider the di-photon signal arises from two bunches of collimated photon jets emitting from a pair of highly boosted scalars. Following the discussion of detecting the photon jets at the collider, we extend the two-Higgs-doublet model (2HDM) by adding a gauge singlet scalar. To explain the di-photon excess which is recently observed at the first 13 TeV run of the LHC, the mixing between the heavy doublet state and the newly added singlet is crucially needed. After the mixing, one can have a heavy Higgs state $Y_2$ at 750 GeV and a very singlet-like scalar $Y_1$ of sub-GeV, which would be highly boosted through the $Y_2$ decay. Both real singlet and complex singlet extension are studied. It turns out that only the complex model can yield the 1-10 fb cross section in the di-photon final state in accompany with the decay length of the order of 1 m for the $Y_1$. This complex model parametrically predicts the width of 750 GeV resonance $\gtrsim 1$ GeV. In addition, the pseudoscalar component of the singlet in this model is naturally stable and hence could be a dark matter candidate.

연구 동기 및 목표

• LHC 13 TeV 운행에서 관측된 750 GeV 이광자 초과 현상을 설명하기 위해, 최소 2HDM에서는 이광자 분해비가 억제되어 설명이 불가능한 이유를 해결한다.
• 직접 750 GeV 공명의 붕괴가 아닌, 부스터되고 장수하는 스칼라 상태를 포함하는 계단식 붕괴 메커니즘을 탐색한다.
• 2HDM의 게이지 단일 스칼라 확장이 관측된 이광자 단면적과 경량 스칼라의 필요 붕괴 길이를 동시에 재현할 수 있는지 확인한다.
• 경량 스칼라 $Y_1$ 가 충분히 장수하여 응집된 이광자 제트를 생성할 수 있고, 同시에 검출 가능한 이광자 신호를 유지할 수 있는 매개변수 영역을 규명한다.

제안 방법

• 두 힉스 이중체 모델(2HDM)에 게이지 단일 스칼라를 추가하여, 750 GeV에서 질량 고유상태인 $Y_2$ 와 210 MeV 이하의 경량 단일 스칼라 유사 상태인 $Y_1$ 를 도출한다.
• 중간자 상태 $Y_2$ 와 단일 스칼라 $Y_1$ 간의 작은 혼합을 도입하여, 루프 유도 상호작용을 통해 $Y_1$ 의 붕괴 길이를 제어한다.
• 실수 단일 스칼라와 복소 단일 스칼라 확장 모두를 연구한다. 복소 모델은 스칼라 포텐셜에 선형 항을 포함하여, 힉스의 투명 붕괴를 유도하지 않으면서도 혼합을 가능하게 한다.
• collider 현상학을 활용하여 $Y_1$ 붕괴에서 유도된 이광자 제트 생성을 시뮬레이션하며, 각도 간격이 $\lesssim 0.1$ 라디안 이하인 좁은 제트를 요구한다.
• $\sigma(pp \to \gamma\gamma)$ 의 이광자 단면적을 계산하며, $gg \to Y_2 \to Y_1 Y_1 \to \gamma\gamma \gamma\gamma$ 경로를 통해 관측된 10–6 fb 수준의 비율과 일치함을 보장한다.
• 스칼라 포텐셜의 양자수 $\lambda_i$, $\kappa_i$ 에 대한 양성 및 단위성 조건을 통해 안정성과 점성 제약 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부스터되고 장수하는 스칼라 상태를 포함하는 계단식 붕괴 메커니즘이 큰 상호작용 상수 없이도 750 GeV 이광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 LHC 제트 재구성과 일치하는 응집된 이광자 제트를 생성하기 위해 필요한 경량 스칼라 $Y_1$ 의 질량과 붕괴 길이는 무엇인가?
• RQ3 왜 복소 단일 스칼라 모델이 실수 단일 스칼라 모델보다 이광자 단면적과 붕괴 길이를 동시에 충족시키는 데 더 유력한가?
• RQ4 750 GeV 공명과 단일 스칼라 상태 간의 혼합이 $Y_2$ 공명의 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모델에서 단일 스칼라의 편미분 성분이 안정한 암흑물질 후보로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• 복소 단일 스칼라 확장은 실수 단일 스칼라 모델에서 강한 혼합 억제 조건으로 인해 달성할 수 없는 관측된 1–10 fb 이광자 단면적을 성공적으로 재현한다.
• 복소 모델에서 $Y_1$ 스칼라의 약 1미터의 붕괴 길이가 실현 가능하여, LHC에서 검출 가능한 응집된 이광자 제트를 가능하게 한다.
• 이 모델은 750 GeV 공명 $Y_2$ 의 너비를 $\gtrsim 1$ GeV로 예측하며, 관측된 신호 너비와 일치한다.
• 단일 스칼라의 편미분 성분은 $Z_2$-유사 대칭으로 인해 자연스럽게 안정하므로, 유력한 암흑물질 후보로 작용한다.
• 실수 단일 스칼라 모델은 강한 혼합 억제 조건으로 인해 이광자 단면적과 붕괴 길이 조건을 동시에 충족하지 못한다.
• $Y_2$ 공명은 주로 글루온 융합를 통해 생성되며, $Y_1 Y_1$ 로 붕괴되는 것은 $m_{Y_1} \lesssim 210$ MeV 일 때에만 운동역학적으로 허용된다.