[논문 리뷰] Confronting diphoton resonance with cascade decays in warped gravity

Barry M. Dillon, Chengcheng Han외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 47인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 디포톤 공진이, 끈 이론에서의 칼루차-클라인 중력보가 두 라디언으로 붕괴되고, 각 라디언이 이후 광자-제트로 붕괴되는 계단식 붕괴 메커니즘으로 기인하는, 비틀린 추가 차원 모형을 제안한다. 이 시나리오는 전자기약력 정밀도 및 직접 탐색 제약 조건과도 일치하며, 런 2 데이터에서의 광자 간의 각도 분포는 이 계단식 붕괴 메커니즘을 더 단순한 공진 상태와 구별할 수 있다.

ABSTRACT

We consider a Kaluza-Klein (KK) graviton interpretation of the diphoton excesses observed recently at the LHC. The radion, the modulus of extra dimension, appears naturally light due to classical scale invariance in this scenario. Thus, due to the presence of a sizable wavefunction overlap in the extra dimension between the KK graviton and the radion, the KK graviton can decay largely into a pair of radions, each of which decays into a pair of collimated photons, the so called photon-jet. We discuss the photon-jet scenario in setups with warped extra dimension that are consistent with current limits from direct searches and electroweak precision data. One scenario is with suppressed couplings of the KK graviton to the Higgs and fermions, and another scenario is a holographic composite Higgs model with large couplings of the KK graviton to Higgs and top quark included. We discuss the bounds on the light radion and the possibility of distinguishing the photon-jet scenario with the angular distributions of photons in the LHC Run 2.

연구 동기 및 목표

• 비틀린 추가 차원에서 칼루차-클라인 중력보와 가벼운 라디언을 포함한 계단식 붕괴 메커니즘을 통해 LHC에서 관측된 디포톤 공진을 설명하는 것.
• 현재의 직접 탐색 및 전자기약력 정밀도 관측 결과와의 일치를 확보하는 것.
• 두 가지 다른 시나리오를 탐색하는 것: 하나는 힉스 및 페르미온과의 결합이 억제된 경우이며, 다른 하나는 결합 강도가 증가한 홀로그래픽 복합 힉스 모형에 기반한 경우.
• 특히 광자 간 각도 분포와 같은 관측 가능한 서명을 식별하여, 이 계단식 붕괴 시나리오가 디포톤 초과 현상에 대한 다른 설명과 어떻게 구별되는지 밝혀내는 것.

제안 방법

• 고전적 척도 불변성을 갖는 비틀린 추가 차원 프레임워크를 사용하여, 압축된 차원의 모듈러스로서 자연스럽게 가벼운 라디언을 생성한다.
• 추가 차원 내에서 파동함수의 겹침으로 인해 칼루차-클라인 중력보가 라디언과 상당한 결합함으로써 주로 라디언 쌍으로 붕괴되는 것을 모델링한다.
• 붕괴 계열을 분석: 칼루차-클라인 중력보 → 라디언 + 라디언, 그 후 각 라디언이 응집된 두 광자(광자-제트)로 붕괴된다.
• 전자기약력 정밀도 데이터 및 직접 LHC 탐색 결과에서 제약을 적용하여, 가벼운 라디언과 칼루차-클라인 중력보의 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 두 가지 다른 고에너지 이론 완성(UV completion)을 고려: 하나는 표준모형 필드와의 결합이 억제된 경우이며, 다른 하나는 홀로그래픽 복합 힉스 모형에서 힉스 및 토프 쿼크와의 큰 결합을 가진 경우.
• 이 시나리오에서 광자-제트 내 광자 간의 각도 분포를 주요 관측 가능 서명으로 평가하여, 이 계단식 붕괴 모형이 직접 디포톤 공진으로 붕괴하는 경우와 어떻게 다를 수 있는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 관측된 디포톤 공진은 칼루차-클라인 중력보가 두 라디언으로 붕괴되고, 각 라디언이 광자-제트로 붕괴되는 계단식 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ2 전자기약력 정밀도 데이터 및 직접 LHC 탐색 결과에서 제약을 받는 이 모형에서, 가벼운 라디언과 칼루차-클라인 중력보의 매개변수 공간는 어떻게 제한되는가?
• RQ3 히iggs 및 페르미온과의 결합이 억제된 경우와 홀로그래픽 복합 힉스 모형에서 결합 강도가 증가한 경우 사이의 현상학적 차이는 무엇인가?
• RQ4 LHC 런 2 데이터에서 광자-제트 내 광자 간의 각도 분포는 이 계단식 붕괴 메커니즘을 직접 디포톤 공진으로 붕괴하는 메커니즘과 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 고전적 척도 불변성을 갖는 비틀린 추가 차원에서 자연스럽게 가벼운 라디언을 실현하며, 칼루차-클라인 중력보와의 상당한 파동함수 겹침을 가능하게 한다.
• 칼루차-클라인 중력보의 주된 붕괴 모드는 두 라디언으로의 붕괴이며, 각 라디언은 이후 응집된 두 광자(광자-제트)로 붕괴되어 광자-제트 서명을 형성한다.
• 특히 힉스 및 페르미온과의 결합이 억제된 경우, 이 시나리오는 현재의 LHC 직접 탐색 제한 및 전자기약력 정밀도 데이터와도 일치한다.
• 홀로그래픽 복합 힉스 모형에서는, 라디언이 가볍고 칼루차-클라인 중력보가 무거울 경우, 힉스 및 토프 쿼크와의 큰 결합이 제약을 위반하지 않고 허용된다.
• 광자-제트 내 광자 간의 각도 분포는 이 계단식 붕괴 모형을 직접 디포톤 공진으로 붕괴하는 모형과 구별하는 데 사용할 수 있는 특징적인 서명을 제공한다.
• 이 모형은 기존 실험 제약 조건 내에서 디포톤 초과 현상에 타당한 설명을 제공하며, 광자 간 상관관계의 각도 특성에서 검증 가능한 예측을 한다.