[논문 리뷰] Leptoquarks: 750 GeV Diphoton Resonance and IceCube Events

Ujjal Kumar Dey, Subhendra Mohanty외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 40인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 양자수 $(3,2,7/6)$를 가진 스칼라 렙토퀴어크 $R_2$ 가 LHC 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성과 IceCube에서 탐지된 고에너지 PeV 뉴트리노 사건을 통합적으로 설명할 수 있음을 제안한다. $R_2$ 렙토퀴어크는 750 GeV 스칼라 공진성을 광자-광자 채널로 루프 유도된 쿼크-글루온 융합 반응을 통해 생성하며, 뉴트리노-핵자 산란에서 공진 상태로 생성되어 IceCube의 PeV 사건 스펙트럼을 잘 맞춘다. 이는 렙토퀴어크 질량이 780–900 GeV 사이일 때이고, 결합 상수가 약 1일 경우 성립한다.

ABSTRACT

The recent data from ATLAS and CMS hint at a new resonance at around 750 GeV in the diphoton invariant mass distribution. The explanation of the significantly large cross section for this diphoton resonance requires coloured particles in its loop-induced production via gluon fusion and subsequent decay to diphoton. A natural candidate for the coloured particle is the colour-triplet leptoquark, lying in the mass range 375-1000 GeV, which can account for such large cross section. The leptoquarks in this mass range can also be produced resonantly from neutrino and quark interactions at IceCube and provide an explanation to the PeV-energy neutrino events. In this work, we show that the scalar leptoquark with quantum number $(3,2,7/6)$ can uniquely provide a unified explanation to both the PeV IceCube events and the 750 GeV diphoton resonance.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성을 스칼라 렙토퀴어크 모형을 통해 설명하기 위해.
• 뉴트리노-핵자 산란에서 공진 상태로 생성되는 렙토퀴어크를 통해 IceCube에서 탐지된 고에너지 PeV 뉴트리노 사건을 설명하기 위해.
• 나이만-프로톤 붕괴를 유도하는 고차원 연산자가 존재하지 않는 조건에서, 둘 다를 하나의 스칼라 렙토퀴어크 틀 안에서 통합 설명하기 위해.
• 이중광자 단면적과 IceCube 사건 스펙트럼 양쪽 모두에 가장 잘 맞는 렙토퀴어크 상태를 규명하기 위해.

제안 방법

• 750 GeV에서 실수 스칼라 단일체 장 $\Phi$ 를 도입하여 이중광자 공진성을 나타내며, 이는 차원이 있는 상호작용 $\lambda_s \Phi |\eta|^2$ 를 통해 스칼라 렙토퀴어크와 결합한다.
• 루프 유도된 쿼크-글루온 융합 반응을 통해 $R_2$ 렙토퀴어크를 통해 $\Phi$ 를 생성하고, 이는 $\gamma\gamma$ 로 붕괴된다; 효율적 라그랑지안과 루프 적분을 사용하여 단면적을 계산한다.
• IceCube에서의 뉴트리노-핵자 산란를 $R_2$ 렙토퀴어크 교환 모델로 기술하며, 파arton 분포 함수와 요카다 결합 상수를 사용하여 단면적을 계산한다.
• LQ 질량 $m_{LQ}$ 와 요카다 결합 상수 $Y_1^{13}, Y_2^{31}$ 를 변화시켜 IceCube 사건 스펙트럼을 피팅하며, LHC 제약 조건을 피하기 위해 $\nu_\tau$ 와 업 쿼크 결합에 초점을 맞춘다.
• $\mathscr{R}_{\rm{NC}}$ 와 $\mathscr{R}_{\rm{CC}}$ 비율을 사용하여 사건 수 계산에서 중성미자 및 전하를 가진 전류 기여를 분리한다.
• 1347일 간의 IceCube 데이터와 비교하여 시뮬레이션된 사건 분포를 다양한 $m_{LQ}$ 와 결합 상수 값에서의 적합도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 스칼라 렙토퀴어크 양자수들이 동시에 750 GeV 이중광자 공진성과 IceCube의 PeV 뉴트리노 사건을 설명할 수 있는가?
• RQ2 단일 렙토퀴어크 모형이 나이만-프로톤 붕괴를 유도하는 트리 수준 연산자가 존재하지 않는 조건에서, 루프 유도된 이중광자 생성과 공진 뉴트리노 산란을 모두 설명할 수 있는가?
• RQ3 어느 범위의 렙토퀴어크 질량과 요카다 결합 상수가 IceCube의 PeV 뉴트리노 사건 스펙트럼을 가장 잘 재현하는가?
• RQ4 $R_2$ 렙토퀴어크의 제3세대 렙톤과 제1세대 쿼크에 대한 결합이 LHC 및 IceCube 데이터에서의 타당성에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• $R_2$ 렙토퀴어크가 양자수 $(3,2,7/6)$ 를 가지며, 이는 이중광자 공진성 단면적과 IceCube PeV 사건 데이터를 동시에 만족시킨다.
• $m_{LQ} \in [780, 900]$ GeV 이며, 요카다 결합 상수가 1에 가까울 경우, $R_2$ 렙토퀴어크는 PeV 에너지 범위에서 IceCube 사건 스펙트럼에 잘 맞는다.
• 자연스러운 결합 강도를 가진 루프 유도된 쿼크-글루온 융합 반응을 통해 모델이 이중광자 초과 현상을 설명하며, 정밀 조정이 필요하지 않다.
• $R_2$ 렙토퀴어크는 트리 수준의 빠른 프로톤 붕괴를 피하며, 고차원 연산자가 유도할 수 있는 붕괴를 안정적으로 방지한다.
• 모델은 $\nu_\tau$-중간자 $R_2$ 생성으로 인해 IceCube에서 $\tau$ 렙톤 서명을 예측하며, 이는 이중-뱅크 사건으로 식별 가능하다.
• 780–900 GeV 이외의 LQ 질량도 비단위 결합 상수를 통해 데이터를 맞출 수 있지만, $Y_1^{13} \sim 1$ 일 때 가장 좋은 일치가 이루어진다.