[논문 리뷰] Constraints on 750 GeV colorless Q-onia from running couplings

Luis A. Anchordoqui, Haim Goldberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상을 새로운 비틀림 대칭 SU(N_TC) 게이지 군과 전자약력 대칭군을 변환하는 벡터형 리만 페르미온의 결합 상태(Q-온리아)를 통해 설명하는 복합 모델을 제안한다. 쿨롱 근사법을 사용하여 이중광자 데이터를 피팅하고, 허용 가능한 초전하 범위를 도출한다: N_TC=2일 때 2.26 ≤ Y_Q ≤ 2.53, N_TC=3일 때 2.17 ≤ Y_Q ≤ 2.31이며, 주요 증거 예측으로는 η_Q → ZH 붕괴가 있다.

ABSTRACT

We present yet another composite model explaining the relatively broad peak in the diphoton invariant mass distribution around 750 GeV recently observed at the LHC experiments. We consider the excess originates in bound states of vector-like fermions Q transforming under the electroweak group (but not QCD) of the standard model and which are also charged under a new SU(N_{TC}) QCD-like confining force. Since the new uncolored fields transform as SU(2) doublets they can acquire a mass through Yukawa interactions with the electroweak Higgs doublet, as quarks and leptons. We parametrize the Q-onium bound state using the Coulomb approximation and give a numerical fit to the diphoton excess consistent with no strong coupling effects up to about 30 TeV, which is the energy scale for next generation colliders. The range of allowed hypercharge Y_Q is given by 2.26 \leq Y_Q \leq 2.53 for N_{ m TC} =2 and 2.17 \leq Y_Q \leq 2.31 for N_{ m TC} = 3. The smoking gun for the model would be the discovery of Q-onia decaying into Higgs and Z-boson.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명 현상을 새로운 벡터형 리만 페르미온의 결합 상태로 설명한다.
• 숨겨진 비틀림 대칭 SU(N_TC) 게이지 군과 전자약력 대칭을 포함하는 최소한의 복합 모델을 구축한다.
• Q-온리아 결합 상태에 대해 쿨롱 근사법을 사용하여 이중광자 초과 현상을 피팅하면서, 30 TeV까지의 달라지는 커플링과의 일관성을 확보한다.
• 관측된 이중광자 신호와 실험적 제약 조건과의 일관성을 유지하기 위해 새로운 페르미온의 초전하 Y_Q를 제약한다.
• 미래 실험 검증을 위한 주요 증거로 간주되는 η_Q → ZH 붕괴를 식별한다.

제안 방법

• 새로운 비틀림 대칭 힘을 수소 유사 시스템에서의 QCD와 유사하게 간주하여, Q-온리아 결합 상태를 쿨롱 근사로 모델링한다.
• 벡터형 리만 페르미온 Q와 전자약력 힉스 두중항 간의 유카와 커플링을 포함하여 질량을 생성하며, 쿼크 질량을 모방한다.
• SU(N_TC) 게이지 군의 달라지는 커플링을 사용하여, 정규 이론 방법이 유효한 에너지 스케일(약 30 TeV까지)을 제약한다.
• 이중광자 붕괴 폭 σ × BR(η_Q → γγ)를 계산하고, LHC 데이터에서 관측된 5 fb의 횡단면에 맞추어 피팅한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 적용하여 기술적 글루볼이 경량 원소 농도에 영향을 주지 않도록 확보한다.
• 기술적 글루볼(G_TC → γγ)의 붕괴 폭을 유도하고, BBN에 영향을 주지 않도록 생애가 짧은(10⁻²⁸ s 이하)지 여부를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 초과 현상은 새로운 비틀림 대칭 게이지 군 하에서의 벡터형 리만 페르미온의 결합 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 달라지는 커플링이 30 TeV까지 유지되는 조건에서 이중광자 신호를 피팅할 때 허용 가능한 초전하 Y_Q의 범위는 무엇인가?
• RQ3 특히 빅뱅 핵합성 기간 동안 기술적 글루볼 붕괴에 의해 영향을 받는 모델의 천체물리적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 η_Q → ZH 붕괴의 예상 분해율은 얼마이며, 이는 이중광자 붕괴 폭과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 Q 필드의 유카와 커플링은 고에너지 영역에서 전자약력 진공의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 쿨롱 근사법을 사용한 Q-온리아 결합 상태로, 750 GeV에서 관측된 약 5 fb의 이중광자 횡단면을 모델이 잘 피팅한다.
• N_TC = 2일 경우 허용 초전하 범위는 2.26 ≤ Y_Q ≤ 2.53; N_TC = 3일 경우 2.17 ≤ Y_Q ≤ 2.31이다.
• 기술적 글루볼 붕괴 폭은 짧은 수명(<10⁻²⁸ s)으로 추정되어, 빅뱅 핵합성에 심각한 영향을 주지 않는다.
• 이 모델은 주요 증거로 간주되는 예측을 제시한다: η_Q → ZH 붕괴로, 이는 이중광자 붕괴 폭의 10% 이하의 분해율을 가진다.
• Q 필드의 유카와 커플링은 약 100 TeV 이상에서 힉스 4중항 상호작용을 음수로 이끈다. 이는 전자약력 진공의 불안정성을 시사한다.
• 숨겨진 무거운 스칼라 싱게틀은 힉스 4중항 상호작용에 양의 임계 보정을 제공함으로써 전자약력 진공을 안정화시킬 수 있다.