[논문 리뷰] Di-photon resonance around 750 GeV: shedding light on the theory underneath

Joydeep Chakrabortty, Arghya Choudhury외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 57인용 수 103

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 II에서 ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중 광자 공명 초과 현상에 대해 간소화된 효과적 라그랑지안 프레임워크를 사용하여 분석한다. 이는 스핀-0 공명이 광자와 글루온과 루프 유도 상호작용을 통해 결합된다고 가정한다. 분석 결과, 특히 공명의 너비가 넓은 경우(~45 GeV)에 대규모 양자수를 가진 페르미온 매개자가 스칼라 매개자보다 더 타당한 해답이 되며, 향후 LHC 런에서 관련 페르미온 쌍의 탐지 가능성이 높은 매개변수 영역을 규명한다.

ABSTRACT

Both the ATLAS and CMS collaborations have recently observed an excess in the di-photon invariant mass distribution in the vicinity of 750 GeV with a local significance of $\sim3σ$. In this article we try to investigate this excess in the context of a minimal simplified framework assuming effective interactions of the hinted resonance with photons and gluons. We scrutinise the consistency of this observation with possible accompanying yet hitherto unseen signatures of this resonance. Subsequently, we try to probe the nature of new particles, e.g., spin, electric charge and number of colour, etc., that could remain instrumental to explain this excess through loop-mediation.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 II에서 ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중 광자 공명 초과 현상의 기원을 조사한다.
• 루프 다이어그램을 통해 공명을 매개할 수 있는 새로운 입자의 양자수(스핀, 전하, 색 표현)를 규명한다.
• 특히 이중 제트, $ZZ$, $Z\gamma$ 채널에서의 다른 LHC 탐색 결과와의 일관성을 검토한다.
• 관측된 이중 광자 비율을 재현하면서도 실험적 제약 조건(브랜치 비율 및 붕괴 너비)을 만족하는 새로운 물리의 타당한 매개변수 영역을 규명한다.
• 다양한 너비 가정 하에 $gg \to H_X^* \to F\bar{F}$ 과정에서 새로운 페르미온 공명의 탐지 가능성 평가

제안 방법

• 공명 $H_X$ 가 글루온($\kappa_g$)과 광자($\kappa_A$)와 루프 유도 상호작용을 통해 결합하는 $G^{a}_{\mu\nu}G^{\mu\nu}_{a}H_X$ 및 $B_{\mu\nu}B^{\mu\nu}H_X$ 항을 포함하는 최소 효과적 라그랑지안을 구성한다.
• $H_X \to \gamma\gamma$ 와 $H_X \to gg$ 의 브랜치 비율은 각각 $\propto \kappa_A^2 \cos^4\theta_W$ 와 $\propto 8\kappa_g^2$ 로 유도되며, 위상공간 및 색 인자들을 고려한다.
• 총 너비 $\Gamma_X$ 에 따라 의존하는 모델 독립적인 $Br(H_X \to \gamma\gamma)$ 와 $Br(H_X \to gg)$ 의 상관관계를 유도한다.
• 페르미온 및 스칼라 매개자를 루프 기여를 통해 분석하고, 관측된 이중 광자 비율을 재현하기 위해 결합 강도 $g_{FFH_X}$ 와 질량 $M_F$ 를 변화시킨다.
• $\Gamma_X = 1$ GeV 와 $\Gamma_X = 45$ GeV 인 경우 $M_F$–$g_{FFH_X}$ 평면에서 생산 횡단면 $\sigma(gg \to H_X^* \to F\bar{F})$ 를 평가한다.
• LHC 탐색 결과에서 유도된 제약 조건을 $\kappa_g$ 와 $\kappa_A$ 에 대한 제약 조건으로 변환하고, 다양한 매개자 유형에 따라 결과 매개변수 영역을 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루프 다이어그램을 통해 750 GeV 이중 광자 공명을 매개할 수 있는 새로운 입자의 양자수(스핀, 전기적 전하, 색 표현)는 무엇인가?
• RQ2 $Br(H_X \to \gamma\gamma)$ 와 $Br(H_X \to gg)$ 의 브랜치 비율은 어떻게 상관되며, 이는 총 너비 $\Gamma_X$ 에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 왜 관측된 이중 광자 초과 현상을 설명하는 데 페르미온 매개자가 스칼라 매개자보다 유리한가?
• RQ4 향후 LHC 런에서 $gg \to H_X^* \to F\bar{F}$ 과정이 가장 탐지 가능해지는 조건은 무엇인가?
• RQ5 관측된 붕괴 너비($\Gamma_X \sim 1$ GeV 또는 $45$ GeV)는 새로운 페르미온 결합의 타당한 매개변수 영역에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 특히 너비가 넓은 경우($\Gamma_X \sim 45$ GeV)에 페르미온 매개자가 스칼라 매개자보다 관측된 이중 광자 초과 현상을 재현하는 데 더 유리하다.
• $\Gamma_X = 45$ GeV 일 경우, $H_X \to \gamma\gamma$ 와 $H_X \to gg$ 의 브랜치 비율에 대한 타당한 매개변수 영역은 $M_F$ 가 작고 $g_{FFH_X}$ 가 큰 영역으로 제한되며, 이는 $gg \to H_X^* \to F\bar{F}$ 생성을 강화한다.
• $Br(H_X \to \gamma\gamma)$ 와 $Br(H_X \to gg)$ 의 상관관계는 모델 독립적이지만 너비에 따라 달라지며, $\Gamma_X = 45$ GeV 일 경우 $Br^2(\gamma\gamma \times gg) \sim \mathcal{O}(10^{-5})$ 의 주요 스케일을 가진다.
• 좁은 너비($\Gamma_X = 1$ GeV)일 경우, 작은 $g_{FFH_X}$ 나 큰 $M_F$ 로 인해 $\sigma(gg \to H_X^* \to F\bar{F})$ 가 억제되어 탐지 가능성은 낮다.
• 관측된 공명 너비 $\Gamma_X \sim 45$ GeV 는 무거운 페르미온을 통한 루프 매개 붕괴와 일치하며, 13 TeV 데이터에서 유일하게 유도된 너비 10.6 GeV 는 관측된 비율과 덜 일치한다.
• 연구 결과는 공명이 지속된다면 더 넓은 뒷받침되는 물리 스펙트럼의 첫 번째 신호일 수 있으며, 아직 발견되지 않은 더 무거운 상태들이 존재할 수 있음을 시사한다.