[논문 리뷰] Diphoton excess at 750 GeV in an extended scalar sector

Shinya Kanemura, Naoki Machida외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 750 GeV의 스칼라 보손이 디멘션-오 Kare의 연장선에서 토크 쿼크와 결합하고, 다중으로 빚어진 스칼라 보손의 루프를 통해 이중광자로 붕괴하는 표준모형의 최소한의 확장 모델을 제안한다. 이 모델은 펌프터티브 유니타리성 또는 전하 비파괴 조건을 위반하지 않으면서 LHC 런 II에서 관측된 이중광자 초과 현상을 설명하며, 신호 단면적은 약 5–9 fb, 너비는 약 45 GeV이며, γγ 붕괴의 분해비는 0.6–3.5%로 도출된다.

ABSTRACT

We discuss an extended scalar model which explains the recent results of diphoton excess at 750 GeV at LHC Run II experiments. An additional singlet scalar boson with the mass of 750 GeV, which couples to top quarks via a dimension five operator, is produced via gluon fusion and decays into two photons via loop contributions of a number of (multiply) charged scalar bosons. Origin of such a dimension five operator would be, for example, in the context of composite Higgs models. The excess can be explained without contradicting the data from LHC Run I and also theoretical consistencies such as perturbative unitarity and charge non-breaking.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 II 데이터에서 최근 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상을 확장된 스칼라 섹터를 통해 설명하기 위해.
• 관측된 신호 단면적(~5–9 fb)과 총 너비(~45 GeV)를 재현하면서 LHC 런 I 데이터와 충돌하지 않는 모델을 구축하기 위해.
• 펌터티브 유니타리성 및 전하 비파괴 진공 조건을 만족함으로써 이론적 일관성을 확보하기 위해.
• 루프 다이어그램을 통해 다중으로 빚어진 스칼라 보손이 이중광자 붕괴를 매개하는 역할을 하는 것을 탐색하기 위해.
• 미래의 LHC 탐색을 위해 잠재적인 간접적 서명, 예를 들어 쿼크형 허그스 보손 또는 Zγ 붕괴를 식별하기 위해.

제안 방법

• 복합 허그스 유사 메커니즘에서 기인하는 디멘션-오 Kare 연장선에서 유래된, 질량 750 GeV인 실수 스칼라 장 S를 도입한다.
• S와 다수의 전하를 지닌 스칼라 장 간의 삼중 상호작용을 포함하며, 단순화를 위해 동일한 질량과 유니버설 커플링을 가정한다.
• 효율적 라그랑지안과 토크 쿼크 루프 기여를 사용하여 LHC에서 S의 글루온 융합 생성 단면적을 계산한다.
• 전하를 지닌 스칼라 보손 루프를 포함한 루프 다이어그램을 통해 이중광자 붕괴 너비를 계산하며, 루프 기여는 전하 상태의 수(r)에 비례하여 스케일된다.
• 펌터티브 유니타리성 및 전하 비파괴 진공 안정성 이론적 제약 조건을 사용하여 모델을 제약한다.
• 95% 신뢰수준에서 ATLAS 및 CMS 데이터와 예측된 신호 강도와 분해비를 비교함으로써 모델의 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디멘션-오 Kare 연장선에서 토크 쿼크와 결합하는 750 GeV의 단일 스칼라 보손이 LHC 런 II에서 관측된 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 펌터티브 유니타리성 조건을 만족하면서 관측된 이중광자 신호 강도를 달성하기 위해 필요한 전하를 지닌 스칼라 상태의 수(r)는 얼마인가?
• RQ3 이 모델은 토크 쿼크 쌍 생성 및 허그스 보손 생성에 관한 LHC 런 I 데이터와 충돌하지 않는가?
• RQ4 이 모델이 예측하는 다중 전하 스칼라 상태의 현상학적 서명은 무엇인가?
• RQ5 이 모델은 방사성 중성미온 질량 생성 또는 강한 제1계 전이를 일으키는 전자기적 위상 전이를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 95% 신뢰수준에서 관측된 약 5–9 fb의 이중광자 신호 단면적을 재현하며, ATLAS 및 CMS 데이터와 일치한다.
• 750 GeV 공명의 총 너비는 자연스럽게 약 45 GeV로 도출되며, 관측된 값과 일치한다.
• S → γγ의 분해비는 스칼라 상태 수(r)와 그 질량(m±)에 따라 0.6–3.5%로 제약된다.
• m± = 400 GeV일 경우, r = 25, 50, 65는 펌터티브 유니타리성 및 전하 비파괴 조건을 모두 만족한다.
• m± = 600 GeV일 경우, 동일한 이론적 제약 조건 하에서 오직 r = 65만 유의미하게 유지된다.
• S의 주요 붕괴 모드는 tt̄이며, 분해비가 95%를 초과하여 토크 쿼크 쌍 생성 데이터와 충돌하지 않음을 보장한다.