[논문 리뷰] Implications of Gauge Invariance on a Heavy Diphoton Resonance

Ian Low, Joseph Lykken|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명 현상에 대해 무거운 전약 단일 스칼라가 가능한 설명이 될 수 있는지 조사한다. $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 게이지 불변성에 기반하여, 전약 게이지 보손으로의 붕괴는 오직 두 개의 자유 매개변수에 의해 제약을 받으며, 이는 모델에 종속되지 않는 예측을 가능하게 한다: 이중광자 분획은 약 61% 이하로 제약을 받으며, 글루온 융합 생성 메커니즘을 가정할 경우, 이러한 과정을 매개하는 새로운 색 유니터리 입자의 질량 스케일은 CP-짝성에 따라 $1.7\,\text{TeV}$ 이하 (CP-짝성) 또는 $2.6\,\text{TeV}$ 이하 (CP-홀성)로 제약을 받는다. 이는 사례별로 사건 수율에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Assuming a heavy electroweak singlet scalar, which couples to the Standard Model gauge bosons only through loop-induced couplings, SU(2)_L x U(1)_Y gauge invariance imposes interesting patterns on its decays into electroweak gauge bosons, which are dictated by only two free parameters. Therefore experimental measurements on any two of the four possible electroweak channels would determine the remaining two decay channels completely. Furthermore, searches in the WW/ZZ channels probe a complimentary region of parameter space from searches in the gamma-gamma/Z-gamma channels. We derive a model-independent upper bound on the branching fraction in each decay channel, which for the diphoton channel turns out to be about 61%. Including the coupling to gluons, the upper bound on the diphoton branching fraction implies an upper bound on the mass scale of additional colored particles mediating the gluon-fusion production. Using an event rate of about 5 fb for the reported 750 GeV diphoton excess, we find the new colored particle must be lighter than O(1.7 TeV) and O(2.6 TeV) for a pure CP-even and a pure CP-odd singlet scalar, respectively.

연구 동기 및 목표

• 750 GeV 이중광자 초과 현상이 표준모형 게이지 보손들과 게이지 불변 차원 다섯 연산자를 통해 연결된 무거운 전약 단일 스칼라에 의해 설명될 수 있는지 탐구한다.
• 게이지 불변성이 이러한 스칼라가 전약 게이지 보손 쌍(예: $\gamma\gamma$, $Z\gamma$, $WW$, $ZZ$)으로 붕괴하는 패턴을 어떻게 제약하는지 규명한다.
• 오직 게이지 대칭성과 실험적 입력 자료만을 사용하여, 특히 이중광자 채널에 대해 모델에 종속되지 않는 분획 상한을 도출한다.
• 만약 이 공명이 주로 글루온 융합를 통해 생성된다고 가정할 경우, 이를 매개하는 가상의 색 유니터리 입자의 질량 스케일을 제약한다.

제안 방법

• 표준모형 게이지 보손들과 연결되는 $SU(2)_L \times U(1)_Y$에 대해 불변인 효과적 차원 다섯 연산자를 유도하며, 스칼라를 게이지 보손들과 루프 유도 상호작용을 통해 연결한다.
• 게이지 보존 상호작용 상수 $g_{S\gamma\gamma}$, $g_{SZ\gamma}$, $g_{SZZ}$, $g_{SWW}$, $g_{Sgg}$를 두 개의 자유 매개변수 ($\kappa_W$, $\kappa_B$)와 스칼라 질량 $m_S$로 표현한다.
• 부분 폭 공식 $\Gamma_{V_1V_2} = \frac{N_g \delta_V}{64\pi} |g_{SV_1V_2}|^2 m_S$ 를 사용하여 $m_S \gg m_{W/Z}$ 근사에서 붕괴율을 계산한다.
• 전체 분획 상한이 1이 되어야 한다는 제약 조건을 적용하여, $\text{BR}(\gamma\gamma)$에 대해 모델에 종속되지 않는 상한 약 61%를 도출한다.
• 글루온 융합를 주된 생성 메커니즘으로 가정하고, 이중광자 분획 상한을 커플링 $\kappa_g$와 연결하여, 사건 수율 제약 조건을 통해 새로운 색 유니터리 입자의 질량에 대한 상한을 유도한다.
• 750 GeV 초과에 대해 5 fb의 사건 수율을 사용하여, 색 유니터리 입자의 질량에 대한 상한을 유도한다: $m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$ (CP-짝성) 및 $2.6\,\text{TeV}$ (CP-홀성).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 게이지 불변성 $SU(2)_L \times U(1)_Y$를 가정할 때, 중량 전약 단일 스칼라가 전약 게이지 보손 최종 상태로 붕괴하는 분획에 대해 모델에 종속되지 않는 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ2 이러한 스칼라의 이중광자 분획은 기초 게이지 불변 상호작용에 어떻게 의존하며, 그 최대 가능한 값은 얼마인가요?
• RQ3 만약 공명이 글루온 융합를 통해 생성된다면, 이를 매개하는 새로운 색 유니터리 입자의 질량 스케일에 대해 어떤 상한을 설정할 수 있나요?
• RQ4 색 유니터리 입자의 질량에 대한 제약 조건은 스칼라의 CP 성질(짝성 또는 홀성)과 이중광자 초과에 대한 가정된 사건 수율에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ5 WW/ZZ 채널에서의 측정은 $\gamma\gamma/Z\gamma$ 탐색과 비교해 별개의 매개변수 공간을 탐색함으로써 스칼라의 매개변수 공간에 대한 감도를 향상시킬 수 있나요?

주요 결과

• 게이지 불변성과 유니타리 제약 조건에 기반하여, 중량 전약 단일 스칼라의 이중광자 분획은 약 61% 이하로 제약을 받는다.
• 게이지 불변 상호작용의 이중 매개변수 특성 덕분에, 네 개의 전약 붕괴 채널($\gamma\gamma$, $Z\gamma$, $WW$, $ZZ$) 중 두 개의 채널에 대한 실험 측정만으로도 나머지 두 채널이 완전히 결정된다.
• WW/ZZ 채널 탐색은 $\gamma\gamma/Z\gamma$ 탐색과 대체로 다른 매개변수 공간을 탐색하므로, 전체적으로 공명에 대한 감도를 향상시킨다.
• 750 GeV 이중광자 초과에 대해 5 fb의 사건 수율을 가정할 경우, 글루온 융합 생성를 매개하는 새로운 색 유니터리 입자의 질량 스케일은 순수 CP-짝성 스칼라의 경우 $m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$, 순수 CP-홀성 스칼라의 경우 $m_X \lesssim 2.6\,\text{TeV}$로 제약된다.
• 색 유니터리 입자의 질량 상한은 가정된 사건 수율에 민감하게 의존한다: 3 fb의 수율을 가정할 경우, 상한은 각각 $\lesssim 2.7\,\text{TeV}$ (CP-짝성) 및 $\lesssim 3.4\,\text{TeV}$ (CP-홀성)로 강화된다.
• 최대 이중광자 분획은 $\kappa_W/\kappa_B \approx 0.03 + 32.2 \cdot \kappa_g^2 / \kappa_B^2$일 때 발생하며, 이는 글루온 커플링 강도와 $\kappa_B$의 상대 크기에 따라 달라진다.