[논문 리뷰] Hypercharge Axion and the Diphoton $750$ GeV Resonance

Ido Ben-Dayan, Ram Brustein|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성에 대해 양자수축 보존(Hypercharge Axion, HCA)을 최소한의 설명으로 제안한다. HCA는 하이퍼초크 장 강도 텐서와 결합하며, Weinberg 각도 덕분에 주로 두 개의 광자로 붕괴된다. 모델은 결합 스케일 M ~ 테바론 수준에서 관측된 사건률을 잘 맞추지만, 보고된 너비(~45 GeV)와 단면적 사이에 긴장이 존재하여, 측정된 것보다 더 좁은 너비 또는 더 높은 생성률을 가리키는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The CMS and ATLAS reports on a possible excess of diphoton events at $750$ GeV are the cause of great excitement and hope. We show that a pseudoscalar axion coupled to the topological density of hypercharge, suggested in the past by Brustein and Oaknin as a candidate for inducing baryogenesis, can explain the signal in the diphoton channel. The hypercharge axion (HCA) can also decay to $Zγ$ and $ZZ$. The expected number of events in these channels is too small to have been detected, but such decays should be observed in the future. The HCA can be produced via vector boson fusion (VBF) or via associated production (AP). The latter should be manifested by a characteristic decay to 3 photons which should be observed soon. We adapt the previous analysis of possible detection of the HCA at the LHC by Brustein and Oaknin and by Elfgren to the case that the mass of the HCA is 750 GeV and find the expected cross section and decay width in terms of the HCA coupling. We find that the expected cross-section fits well the observed number of excess events and that there is tension between the measured cross-section and the reported partial decay width. The tension is caused because for both VBF and AP the production cross-section and the decay width depend linearly on each other. We therefore expect that if the new resonance is indeed the HCA, either its width should be significantly smaller than the reported width or the production cross-section should be significantly higher than the reported one.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성에 대해 표준모형의 최소한의 확장을 통해 설명하기.
• 측정된 이중광자 단면적과 공진성의 보고된 부분 너비 사이의 긴장을 해결하기.
• 하이퍼초크 보존(HCA)이 신호를 설명하면서도 런 I 및 기타 붕괴 채널의 제약 조건과 일관성을 유지할 수 있는지 테스트하기.
• 특히 3개의 광자 최종 상태를 포함한 연관 생성(AP) 및 벡터 보손 융합(VBF) 채널에서 관측 가능한 서명을 예측하기.
• HCA 모델이 기존 LHC 데이터와 향후 탐지 가능성과의 호환성을 평가하기.

제안 방법

• 이전 HCA 생성 및 붕괴 분석을 750 GeV 공진성 질량에 적응시켜, 하이퍼초크 토폴로지 밀도와 결합된 편미분 스칼라 싱เก트론을 사용한 효과적 장 이론을 적용.
• 벡터 보손 융합(VBF) 및 연관 생성(AP) 채널을 통해 생성 단면적을 계산하며, 둘 다 HCA 결합 상수에 비례하여 선형적으로 증가함.
• Weinberg 각도를 사용하여 γγ, Zγ, ZZ 모드로의 붕괴 너비를 유도하며, 하이퍼초크 이상성 보존 덕분에 γγ가 지배함.
• 단면적과 너비 사이의 관계—둘 다 동일한 결합 매개변수 M에 비례함—을 이용해 실험 데이터와의 일관성 테스트.
• 3개의 광자 최종 상태에 대한 기대 신호 대 배경 비율을 평가하며, QED 배경과 구별하기 위해 각도 분포(1 + cos²θγ)를 활용.
• Z 보손 붕괴 모드를 탐지하기 위해 고광도 LHC 운영이 필요한지 평가하며, 이는 하이퍼초크와의 결합을 확인하는 데 기여함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이퍼초크 보존(HCA)은 추가적인 새로운 입자를 도입하지 않고 750 GeV 이중광자 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 Zγ나 ZZ 채널에서는 유의미한 신호가 관측되지 않았는가? HCA 모델은 이 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ3 측정된 단면적과 공진성의 약 45 GeV 수준의 보고된 부분 너비 사이의 일관성은 어떠한가?
• RQ4 임계값 억제 및 파arton 분포 효과를 고려할 때, HCA 모델은 런 I에서의 신호 부재와 런 2의 초과를 어떻게 조화시킬 수 있는가?
• RQ5 특히 3개의 광자 최종 상태와 전방성 제트와 같은 핵심 실험적 서명은 HCA 모델을 LHC에서 확인하기 위한 것이며, 무엇인가?

주요 결과

• 질량 750 GeV, 결합 스케일 M ~ 테바론 수준의 HCA 모델은 관측된 이중광자 사건률을 재현하며, σ × BR(γγ) ≈ 9 fb (TeV/M)²로 계산되며, 실험적 추정치(~7 ± 5 fb)와 일치한다.
• 보고된 너비(Γ ≈ 45 GeV, ATLAS 기준)와 측정된 단면적 사이에 긴장이 발생한다. 둘 다 동일한 결합 매개변수 M에 선형적으로 의존하기 때문이다.
• ATLAS의 너비 추정치는 M ≈ 215 GeV를 요구하지만, CMS가 선호하는 너비(≈20 GeV)는 M ≈ 320 GeV를 요구하며, 이는 단면적을 맞추기 위해 필요한 테바론 수준의 M와 일치하지 않는다.
• 저자들은 향후 데이터로 너비가 몇 GeV 수준으로 좁아질 것으로 예상하며, 이는 긴장을 해결하고 모델의 이론적 타당성을 높일 것이다.
• 연관 생성 채널(AP)은 등방성 각도 분포를 가진 특징적인 3개의 광자 최종 상태를 생성할 것으로 예측되며, 이는 확인을 위한 핵심 서명이 된다.
• VBF 채널은 초기 상태 파톤으로부터 발생하는 전방성 제트를 탐지할 필요가 있으며, 이는 HCA를 표준모형 QED 배경과 구별하는 보완적 서명이 된다.