[논문 리뷰] Enhanced color gauge invariance and a new di-photon state at the LHC

Stephon Alexander, Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이광자 공명이 SU(3) 색 대칭을 초월한 강화된 SL(3,C) 게이지 대칭에서 유래한 두 개의 무거운 글루온의 색 단일 상태인 유사 상태일 수 있다고 제안한다. 이 이론은 SL(3,C)를 SU(3)로의 대칭 깨짐을 유도하고, E-보스의 질량을 부여하는 동적 내부 계량을 포함한다. 이 틀은 자연스럽게 E-수반 대칭을 강제하며, 이는 두 개의 무거운 글루온이 쌍으로 생성됨을 의미하고, 이는 이차원-5 연산자를 통한 벡터 쿼크와의 결합을 가능하게 하여, 이 공명이 이광자로 붕괴할 수 있도록 하면서도, 글루온 융합 및 붕괴율에 대한 실험적 제한과도 일치한다.

ABSTRACT

We propose to interpret the possible resonance seen in di-photons at the LHC at 750 Gev as a bound state of a new pair of heavy gluons associated with an enhanced color gauge invariance. These have a conservation law which enforces their production and decay in pairs and hence requires that the leading coupling to quarks is quadratically through a dimension 5 operator. One way to realize these hypotheses is if the SU(3) color gauge invariance is enhanced to SL(3, C), while at the same time promoting the internal metric, which picks out what is a unitary transformation, to a dynamical degree of freedom. This theory was first proposed by Cahill[3], Dell[4], Kim and Zee[5], and Julia and Luciani[6]. The dynamical internal metric spontaneously breaks SL(3,C) to SU(3) giving a mass to the vector bosons associated with the generators in SL(3,C)/SU(3). The coupling to the internal metric also ensures that the energy is bounded from below. The new state is produced by gluon fusion and decays to a pair of photons via a direct coupling to a new set of vector quarks allowed by the symmetries.

연구 동기 및 목표

• LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이광자 공명을 표준모형을 초월한 새로운 물리 상태로 설명하기 위해.
• 좁은 공명이지만 큰 이광자 붕괴 폭을 가지는 데서 비롯된 문제를 해결하면서도 주로 글루온 붕괴 모드를 억제하는 데 도전하는 것.
• 강화된 SL(3,C) 색 게이지 불변성과 동적 내부 계량을 기반으로 한 일관된 이론적 틀을 제안하여 해밀토니안을 안정화하고 자발적 대칭 깨짐을 가능하게 하기 위해.
• 공명이 쿼크와 오직 차수-5 연산자로만 결합하도록 보장하여, E-수반 대칭 보존과 관측된 부분 붕괴율과 일치시키기 위해.
• 현재 LHC에서의 제약 조건, 특히 4.4 TeV 이상의 벡터 쿼크 질량 하한과 글루온 융합 단면적의 상한을 고려할 때 이 모델의 타당성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 내부 계량 q를 동적 자유도로 승격시켜 SU(3) 색 게이지 대칭을 SL(3,C)로 확장하기.
• 내부 계량을 통한 SL(3,C)의 자발적 대칭 깨짐을 구현하여 SL(3,C)/SU(3) 코셋에서 E-보스에 질량 M를 제공하기.
• E-수반 대칭을 도입하여 단일 E-보스 상태의 존재를 금지하고 쌍 생성/결합을 강제함으로써 공명이 두 E-보스의 결합 상태임을 보장하기.
• E-보스가 벡터 쿼크와 상호작용하면서 E-수반 대칭을 유지하는 방식으로, 공명과 쿼크 간의 차수-5 연산자를 구성하기.
• 동적 내부 계량을 사용하여 해밀토니안이 아래에서 유계임을 보장하여, 비콤팩트 SL(3,C) 이론에서의 불안정성을 피하기.
• 결합 강도가 (g² + f²)²과 αₛ³ 비례하는 바탕으로 S → γγ 및 S → gg 붕괴 폭을 계산하고, LHC 데이터와 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이광자 공명은 강화된 SL(3,C) 게이지 대칭에서 유래한 두 개의 무거운 글루온의 결합 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 SL(3,C) 게이지 이론에 동적 내부 계량을 도입함으로써, 힉스 필드 없이도 자발적 대칭 깨짐과 E-보스 질량 생성을 위한 일관된 메커니즘이 제공되는가?
• RQ3 SL(3,C)/SU(3)의 구조에서 유도되는 E-수반 대칭 보존은 공명의 쿼크와의 결합을 어떻게 제약하고, 주요 글루온 붕괴 모드를 억제하는가?
• RQ4 관측된 약 5 fb의 이광자 붕괴 폭은, 벡터 쿼크와의 결합 강도 예측과 글루온 붕괴의 억제 요구 조건을 고려할 때 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ5 특히 4.4 TeV 이상의 벡터 쿼크 질량 하한과 글루온 융합 단면적의 상한을 고려할 때, 이 모델은 현재의 LHC 제약 조건을 충족할 수 있는가?

주요 결과

• 차수-5 결합 강도가 순수한 상수 수준일 경우, 모델은 관측된 약 5 fb의 이광자 붕괴 단면적과 일치하는 붕괴 폭을 예측한다.
• 이광자 붕괴 폭 대비 글루온 붕괴 폭의 비율 R = Γ(S→γγ)/Γ(S→gg)는 1/200 이상으로 추정되며, 이는 실험적 제한과 일치한다.
• 필요한 벡터 쿼크 질량 척도 m_q는 m_q/M > 12를 만족해야 하며, 모델은 m_q/M > 20도 허용할 수 있어 4.4 TeV의 벡터 쿼크 질량 하한과도 호환된다.
• 공명의 붕괴 폭은 약 0.5 MeV로 추정되며, 이는 관측된 750 GeV 피크의 좁은 폭과 일치한다.
• E-수반 대칭 덕분에 자연스럽게 차수-5 연산자가 쿼크 결합에 대해 강제되며, 이는 쿼크와의 트리 수준 결합을 억제하고 공명이 글루온 융합을 통해 생성됨을 보장한다.
• 동적 내부 계량 덕분에 이론은 해밀토니안이 아래에서 유계임을 보장하여, 비콤팩트 게이지 이론에서의 잠재적 불안정성을 해결한다.