[논문 리뷰] Diphoton Excess in Consistent Supersymmetric SU(5) Models with Vector-like Particles

Bhaskar Dutta, Yu Gao외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 05.

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한 줄 요약

이 논문은 2015년 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명을 설명하기 위해 벡터-유사 다중구조를 포함한 초대칭 SU(5) 대통합 모델을 제안한다. (5, 5̄) 및 (10, 10̄) 표현에서 벡터-유사 페르미온을 도입함으로써, 스칼라 단일 상태가 고리 유도 과정을 통해 이중광자로 붕괴되며, 약 45 GeV의 넓은 공명 너비를 유지하면서도 쌍제트 제약 조건을 만족시키고 게이지 커플링 통합을 유지한다.

ABSTRACT

We consider the diphoton resonance at the 13 TeV LHC in the context of SU(5) grand unification. A leading candidate to explain this resonance is a standard model singlet scalar decaying to a pair of photon by means of vector-like fermionic loops. We demonstrate the effect of the vector-like multiplets (5, 5 bar) and (10, 10 bar) on the evolution of the gauge couplings and perturbatively evaluate the weak scale values of the new couplings and masses run down from the unification scale. We use these masses and couplings to explain the diphoton resonance after considering the new dijet constraints. We show how to accommodate the larger decay width of the resonance particle, which seems to be preferred by the experimental data. In addition, we consider new couplings relating various components of (5, 5 bar) and (10, 10 bar) in the context of the orbifold GUTs, where the resonance scalar can be a part of the new vector-like lepton doublets. We also calculate the Higgs mass and proton decay rate to positron and neutral pion in the context of SU(5) grand unification, including effects of the new vector-like multiplets.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명을 일관된 초대칭 SU(5) 대통합 이론 프레임워크를 사용해 설명하기.
• 게이지 커플링 통합과 이상성 제거를 유지하는 (5, 5̄) 및 (10, 10̄) 표현의 벡터-유사 다중구조를 통합하기.
• 엄격한 쌍제트 제약 조건을 만족하면서도 관측된 공명 너비(약 45 GeV)를 설명하기.
• SU(5) 대통합 이론에서 새로운 벡터-유사 입자가 힉스 질량과 양성자 붕괴 확률에 미치는 영향 평가하기.
• 이중광자 산란에서 공명 너비 및 질량 갭 시나리오의 통계적 평가 방법 개발하기.

제안 방법

• 벡터-유사 다중구조의 기여를 포함하여, GUT 스케일에서 약한 스케일까지 게이지 커플링을 재정규화 군 방정식을 사용해 진화시키기.
• 벡터-유사 페르미온 고리의 순환 유도 이중광자 붕괴 너비를 계산하여 관측된 단면적(약 3–13 fb)과 일치시키기.
• 싱글리노와 힉스노를 포함한 추가 붕괴 채널을 도입하여 공명 너비를 약 45 GeV로 증가시키되, 모노제트 또는 쌍제트 제약 조건을 위반하지 않도록 하기.
• 오르비폴드 GUT에서 중성 성분이 벡터-유사 렙톤 이중체(5, 5̄ 또는 10, 10̄에서 유래)에 의해 이중광자 공명을 매개하는 새로운 상호작용 항을 구성하여 R-대칭을 유지하기.
• 좁은 공명 주변의 분할 효과를 고려하여, 다양한 공명 너비 및 질량 갭 시나리오에 대한 데이터의 선호도를 비교하기 위한 통계 프레임워크 적용하기.
• p → e⁺π⁰의 양성자 붕괴 확률 계산을 통해, 벡터-유사 다중구조로 인한 기여로 인해 붕괴율이 증가함을 보이며, Hyper-Kamiokande에서 관측 가능 수준일 수 있음을 보여주기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터-유사 다중구조를 포함한 초대칭 SU(5) 대통합 이론이 2015년 LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명을 설명할 수 있는가?
• RQ2 엄격한 LHC 쌍제트 제약 조건을 만족하면서도 약 45 GeV의 넓은 공명 너비를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 벡터-유사 다중구조가 게이지 커플링 통합과 전자약력 스케일의 힉스 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 R-대칭을 깨지 않고 오르비폴드 GUT 설정에서 벡터-유사 렙톤 이중체의 성분이 공명을 매개할 수 있는가?
• RQ5 이중광자 산란에서 다양한 공명 너비 및 질량 갭 구성의 통계적 선호도는 어떻게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 (5, 5̄) 및 (10, 10̄) 다중구조의 벡터-유사 페르미온 고리의 순환 과정을 통해 750 GeV 스칼라 단일 상태가 이중광자로 붕괴되는 방식으로 이중광자 초과 현상을 성공적으로 설명한다.
• 싱글리노로의 붕괴 채널을 도입함으로써, 이는 이후 힉스노로 붕괴되며 모노제트 및 쌍제트 제약 조건을 회피하면서 공명 너비를 약 45 GeV로 유지한다.
• (5, 5̄) 3개의 복사와 (10, 10̄) 1개의 복사 다중구조를 포함함으로써, 게이지 커플링 통합이 일관되게 유지되고 공명 현상에 자연스러운 설명이 가능해진다.
• p → e⁺π⁰의 양성자 붕괴 확률은 새로운 기여로 인해 증가하며, Hyper-Kamiokande에서 관측 가능할 수 있는 정도로 증가할 수 있다.
• 좁은 공명 주변의 분할 효과를 고려하여, 다양한 공명 너비 및 질량 갭 시나리오에 대한 데이터의 선호도를 비교하기 위한 통계 방법이 개발되었다.
• 10 5̄ 5̄ 상호작용에서의 비대칭 쌍체 구조 덕분에, 하나의 L₅ 이중체와 MSSM 렙톤 이중체 간의 혼합을 통해 두 개의 인접한 공명이 자연스럽게 실현될 수 있다.