[논문 리뷰] Broad Diphotons from Narrow States

Haipeng An, Clifford Cheung외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 비례 증거를, 너비가 좁은 입자의 3체 붕괴에서 기인하는 약한 결합, 재정규화 가능한 이론으로 설명한다. 여기서는 비진상 스칼라 보손이 이중광자 생성을 매개하며, 넓고 조절 가능한 너비를 가진 공명을 유도한다. 주요 예측은 이중광자 피크가 빠진 에너지, 잔여 입자, 또는 렙톤과 반작용하는 비대칭적인 이중광자 피크로 나타나며, 이는 이 메커니즘의 결정적 증거가 된다.

ABSTRACT

ATLAS and CMS have each reported a modest diphoton excess consistent with the decay of a broad resonance at ~ 750 GeV. We show how this signal can arise in a weakly coupled theory comprised solely of narrow width particles. In particular, if the decaying particle is produced off-shell, then the associated diphoton resonance will have a broad, adjustable width. We present simplified models which explain the diphoton excess through the three-body decay of a scalar or fermion. Our minimal ultraviolet completion is a weakly coupled and renormalizable theory of a singlet scalar plus a heavy vector-like quark and lepton. The smoking gun of this mechanism is an asymmetric diphoton peak recoiling against missing transverse energy, jets, or leptons.

연구 동기 및 목표

• 넓은 너비(~45 GeV)를 가진 관측된 750 GeV 이중광자 공명을, 오직 약한 결합, 좁은 너비를 가진 입자들만을 사용하여 설명하기.
• 비진상 스칼라 또는 페르미온을 포함한 3체 붕괴에서 조건부로 발생하는 넓고 조절 가능한 너비의 이중광자 공명이, 최종 상태 입자가 좁은 너비를 가질지라도 가능함을 보여주기.
• 싱게트 스칼라, 벡터-유사 쿼크, 벡터-유사 렙톤을 기반으로 하는 최소한의 고에너지 완전 모델을 제시하여 이중광자 비례 증거의 강도와 너비를 재현하기.
• 특징적인 실험적 서명을 식별하기: 빠진 횡방향 에너지, 잔여 입자, 또는 렙톤과 반작용하는 비대칭 이중광자 피크로, 이는 강한 결합 모델과의 차별화를 가능하게 한다.

제안 방법

• 이 메커니즘은 3체 붕괴에 기반한다: χ₁ → χ₂(ϕ* → γγ), 여기서 ϕ는 이중광자로 붕괴하지만 비진상으로 생성된다.
• 이중광자 공명의 너비는 χ₁, χ₂, ϕ 사이의 질량 차이를 조절하여 조절 가능하며, ϕ가 좁은 본질적 너비를 가짐에도 불구하고 넓고 조절 가능한 너비를 가능하게 한다.
• 이중광자 결합은 무거운 전하를 띤 고유한 입자들을 포함하는 고차원 연산자를 통해 매개되며, 효과적 결합은 ∝ α/(6πΛ) 및 αₛ/(6πΛₛ) 비례한다.
• 싱게트 스칼라, 무거운 벡터-유사 쿼크, 벡터-유사 렙톤을 포함하는 재정규화 가능한 이론으로 모델을 고에너지 완전화하여 약한 결합과 재정규화 가능성을 확보한다.
• 공명의 생성률은 벡터-유사 쿼크의 쌍 생성에 의해 제어되며, 관측된 약 5–10 fb의 신호 단면적을 얻기 위해 양자역학 결합 상수를 조절한다.
• 경계 조건을 도입하여 경쟁 붕괴 채널을 억제한다. 예를 들어, m_Q - m_ϕ < m_W + m_b 를 요구하여 진상 W 생성을 억제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 결합, 재정규화 가능한 이론에서 오직 좁은 너비를 가진 입자들만을 사용하여 너비 약 45 GeV의 넓은 이중광자 공명을 설명할 수 있는가?
• RQ2 강한 결합이나 큰 양자역학 결합 상수를 요구하지 않고 관측된 이중광자 비례 증거의 강도(약 5–10 fb)를 재현할 수 있는가?
• RQ3 이러한 모델에서 강한 결합 해석과의 차별화를 위한 특징적인 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ4 이중광자 피크의 너비를 중간 상태의 본질적 너비와 독립적으로 조절할 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘 하에서 이중광자 사건에서 빠진 에너지, 잔여 입자, 또는 렙톤에 대한 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 이중광자 공명의 너비는 스칼라 ϕ의 본질적 특성이 아니며, 3체 붕괴에서 비진상 생성에 의해 기인한다. 이로 인해 ϕ가 좁은 너비를 가짐에도 불구하고 넓고 조절 가능한 너비를 얻을 수 있다.
• 이중광자 피크는 비대칭적이며, 피크 아래의 사건 수가 위보다 많다. 이는 3체 붕괴의 운동학적 특성 때문이다.
• 이 모델은 결정적 증거 서명을 예측한다: χ₁이 χ₂와 비진상 ϕ로 붕괴함에 따라 발생하는, 빠진 횡방향 에너지, 잔여 입자, 또는 충전 렙톤과 반작용하는 이중광자 사건.
• 바텀 파artner의 경우, 750 GeV의 벡터-유사 쿼크는 약 5 fb의 신호 단면적과 r ≈ 0.0096를 제공하며, 이 모델은 약 750 GeV의 진동 질량을 가진 딱딱한 잔여 입자를 예측한다.
• 톱 파artner의 경우, 920 GeV의 벡터-유사 쿼크는 약 5 fb의 신호 단면적과 r ≈ 0.036를 제공하며, 이 모델은 두 개의 딱딱한 잔여 입자, 충전 렙톤, 그리고 빠진 에너지를 동반한 사건을 예측한다.
• m_Q - m_ϕ < 50 GeV일 경우, Q → t*ϕ 붕괴 너비는 매우 억제된다(≈ 0.02 μm⁻¹ × y² × (Δm/50 GeV)⁷), 이는 원하는 이중광자 채널이 지배함을 보장한다.