[논문 리뷰] Can the 750 GeV diphoton LHC excess be due to a radion-dominated state?

Edward Boos, V. Bunichev외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 안정화된 Randall-Sundrum 브레인월드 모형에서 라디언 주도의 스칼라 상태로부터 기인할 수 있는지 조사한다. 칼루차-클라인 스칼라 상태계의 기여를 포함하는 효과적 라그랑지안을 사용하여, 이 연구는 두 광자 생성 단면적은 관측된 초과 현상을 설명하기에 50~100배나 너무 작다는 것을 발견하였으며, 이는 모형의 가장 단순한 형태에서 이러한 해석을 배제한다.

ABSTRACT

We discuss the possibility of interpreting the 125 GeV scalar boson and the 750 GeV diphoton excess recently reported by the ATLAS and CMS experiments as a Higgs-dominated and a radion-dominated states respectively in a stabilized brane-world model. It is shown that in the simplest variant of the model, where only the gravitational degrees of freedom propagate in the bulk, the production cross section of the radion-dominated state with mass 750 GeV turns out to be too small in the allowed region of the model parameter space for explaining the nature of the excess in this approach.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 안정화된 Randall-Sundrum 모형에서 라디언 주도 스칼라 공명으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 다섯 차원 브레인월드 프레임워크에서 125 GeV 힉스 보손과 750 GeV 초과 현상이 각각 힉스-주도 및 라디언-주도 상태로 해석될 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.
• 효과적 라그랑지안에 칼루차-클라인 스칼라 진동자들을 포함시켜 두 광자 생성 단면적을 충분히 높일 수 있는지 확인하기 위해.
• 이러한 모형에서 초과 현상을 설명할 수 없다는 이전 결론의 강건성을 검증하기 위해, 특히 고차 KK 상태를 포함한 경우를 고려하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 브랜치에 국한된 SM 장과 블록 스칼라 장(골드버거-웨이즈 메커니즘)이 있는 안정화된 Randall-Sundrum 모형에서 유도된 효과적 저에너지 라그랑지안을 사용한다.
• 힉스-라디언 혼합은 브랜치에서 대칭 자동 깨짐을 통해 생성되는 비최소 결합 항 $ L_{\text{int}} = -\lambda(|H|^2 - \frac{\xi}{M}\phi^2)^2 $ 으로 모델링된다.
• 효과적 라그랑지안을 사용하여, 전체 칼루차-클라인 스칼라 진동자 계열의 기여를 포함한, 750 GeV 상태의 글루온 융합에서의 생산 단면적과 이중광자 붕괴 너비를 계산한다.
• 모델의 매개변수 공간에 대한 통계적 분석을 수행하며, 혼합 각도 $ \theta $ 와 라디언 붕괴 상수 $ \Lambda_r $ 에 중점을 두고, 매개변수 공간에서 단면적 등고선을 그린다.
• 이전 연구에서 힉스-곡률 결합을 사용한 결과와 비교하여, KK 중력자 질량과 이-레프톤 검색에 대한 알려진 제한 조건과 일관성을 확보한다.
• 작은 혼합 각도에서 두 광자 진폭에 기여하는 등각 대칭 위반 기여를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단지 중력과 블록 스칼라 장만 존재하는 안정화된 Randall-Sundrum 모형에서, 질량 750 GeV인 라디언 주도 스칼라 상태가 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상을 생산 단면적과 붕괴 너비 측면에서 재현할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 부문의 칼루차-클라인 진동자들이 라디언 주도 상태의 두 광자 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고려된 고차 공명을 통합한 효과적 라그랑지안 접근법이 신호 강도를 관측 수준까지 충분히 높일 수 있는가?
• RQ4 작은 혼합 각도 영역에서 등각 대칭 위반 기여가 두 광자 붕괴 진폭에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ5 KK 중력자가 2 TeV 이상이므로, 이중 렙톤 및 이중 제트 채널에서 신호가 없음을 고려할 때, 모형이 이에 부합하는가?

주요 결과

• 750 GeV 라디언 주도 상태의 이중광자 생성 단면적은 허용 가능한 매개변수 공간에서 최대 0.14 fb에 불과하며, 관측된 초과 현상을 설명하기 위해 필요한 값보다 50~100배나 작다.
• 칼루차-클라인 스칼라 진동자 전체 계열의 기여를 포함한 후에도 단면적은 관측된 신호 강도에 도달하기에 충분히 증가하지 않으며, 이는 이 모형 설정에서 이러한 상태들의 증폭 기여가 무시할 만큼 미미하다는 것을 시사한다.
• 작은 혼합 각도에서 두 광자 진폭에 기여하는 등각 대칭 위반 기여가 지배적이지만, 이 기여만으로는 관측된 신호 강도를 생성하기에 부족하다.
• KK 중력자 질량이 2 TeV를 초과하므로, 이중 렙톤 및 이중 제트 채널에서의 신호 부재와 모형이 일치한다.
• 다양한 매개변수화 방식에 걸쳐 강건한 결론을 도출하였으며, 단지 중력 및 안정화 스칼라 자유도만 블록에 존재하는 가장 단순한 형태의 안정화된 브레인월드 모형에서는 라디언 주도 해석이 배제된다.
• 이전 연구 결과를 확인하며, 추가적인 무거운 입자(예: SM 장의 KK 진동자)가 블록을 통해 전파되지 않는 한 이러한 모형은 초과 현상을 설명할 수 없다는 것을 확인한다. 이는 현재 프레임워크의 더 복잡하고 비정상적인 확장 필요성을 시사한다.