[논문 리뷰] LHC diphoton excess from colorful resonances

Jia Liu, Xiao-Ping Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 63인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$의 자발적 대칭 복원이 표준모형 $\mathrm{SU}(3)_C$로 이르는 과정을 기반으로 하는 컬러온 모형을 제안한다. 여기서 무거운 색깔을 가진 벡터 레조넌스 $G'$는 계단식 붕괴를 통해 더 가벼운 색깔을 가진 스칼라 레조넌스 $S$로 붕괴되며, 이는 페르미온 루프를 통해 두 광자로 붕괴된다. 결과적으로 이중 광자 진동 질량 분포는 약 750 GeV 근처에서 운동 에 bord를 보이며, 13 TeV에서의 LHC 이중 광자 초과 현상을 설명한다. 이는 이중 잔여, $t\bar{t}$, 그리고 제트+광자 제약 조건을 모두 만족하며, 두 레조넌스와 강한 제트를 포함한 고유한 서명을 예측한다.

ABSTRACT

Motivated by the possible diphoton excess around $750~ m{GeV}$ observed by ATLAS and CMS at $13~ m{TeV}$, we consider a coloron model from $ m{SU}(3)_1 imes m{SU}(3)_2$ spontaneously breaking to the Standard Model $ m{SU}(3)_C$. A colored massive vector boson is resonantly produced by $q \bar q $ in proton collision, followed by a colored scalar cascade decay. This process gives two photons and one jet in the final states. And the kinetic edge of the two photons can be an interpretation of the diphoton excess, while satisfying the dijet, $ m{t}\bar{t}$, jet+photon resonance constraints. In this model, due to the large mass of vector resonance, the parton luminosity function ratio between $13~ m{TeV}$ and $8~ m{TeV}$ can be quite large. Therefore, the diphoton excess has not been observed at $8~ m{TeV}$ search. On the other hand, having all the new particles color-charged around $ m{TeV}$, this model predicts new signals at the LHC, which can be validated soon.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리 메커니즘을 통해 LHC 런 2(13 TeV)에서 관측된 750 GeV 이중 광자 초과 현상을 설명하기 위해.
• 싱게트론 스칼라를 도입하지 않고도, $\mathrm{SU}(3)_C$에 색깔을 띤 입자들에 의해 전하를 띠는 것을 통해 이중 광자 초과 현상에 대한 대안적 설명을 제공하기 위해.
• $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2 \to \mathrm{SU}(3)_C$의 자발적 대칭 복원을 기반으로 하는 재규격화 가능한 모형을 구축하여 자유 매개변수를 최소화하기 위해.
• 8 TeV와 13 TeV에서의 이중 잔여, $t\bar{t}$, 제트+광자, 이중 광자 레조넌스 탐색을 포함한 기존 LHC 제약 조건과의 일관성을 확보하기 위해.
• 특히, 강한 주요 제트와 보조 광자($p_T \lesssim 200$ GeV)를 포함한 고유한 이벤트 위상도를 예측하여 스칼라 레조넌스 모형과의 차별성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 모형은 $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$ 게이지 군이 이중 피드백 스칼라 $\Phi$를 통해 자발적 대칭 복원을 통해 $\mathrm{SU}(3)_C$로 이르며, 진공 기대값은 $\langle\Phi\rangle = v_\Phi I / \sqrt{6}$이다.
• 질량이 큰 벡터 레조넌스 $G'$는 $-g_1 G_{1\mu}^a + g_2 G_{2\mu}^a$의 선형 조합으로 나타나며, 나머지 조합은 질량이 0인 채로 남는다.
• 색깔을 가진 스칼라 $S$( $\mathrm{SU}(3)_C$의 8-표현)는 무거운 벡터-유사 페르미온 $\Psi$의 루프를 통해 광자와 결합하여 $S \to \gamma\gamma$ 붕괴를 가능하게 한다.
• $G'$는 양성자-양성자 충돌에서 $q\bar{q} \to G'$를 통해 생성되며, 이어서 계단식 붕괴 $G' \to S + g$가 일어나고, $S \to \gamma\gamma$로 이어져 최종적으로 두 광자와 한 개의 제트를 포함한 상태가 된다.
• 계단식 붕괴의 운동역학으로 인해 이중 광자 진동 질량은 약 750 GeV 근처에서 운동 에 bord를 보이며, 레조넌스처럼 보이게 된다.
• 모형은 파arton 루미노시티 함수를 사용하여 LHC 제약 조건을 검증하였으며, $G'$ 질량(~1.9 TeV)이 8 TeV에서의 생성을 억제하여 이중 광자 레조넌스 탐색에서 신호를 회피함을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 750 GeV 이중 광자 초과 현상은 직접적인 스칼라 붕괴가 아니라 색깔을 가진 벡터 레조넌스의 계단식 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ2 최소한의 새로운 장과 매개변수를 가진 재규격화 가능한 게이지 이론 기반 모형에서 이러한 메커니즘을 실현할 수 있는가?
• RQ3 큰 질량을 가진 $G'$ 레조넌스는 13 TeV와 8 TeV 간의 생성률 비율에 어떤 영향을 미치며, 이는 8 TeV에서 신호가 관측되지 않은 이유를 설명할 수 있는가?
• RQ4 최종 상태의 고유한 운동학적 특징(예: $p_T$ 분포, 진동 질량)은 단순한 750 GeV 스칼라 레조넌스 모형과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 모형의 예측은 8 TeV와 13 TeV에서의 이중 잔여, $t\bar{t}$, 제트+광자, 이중 광자 레조넌스 탐색을 포함한 기존 LHC 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 이중 광자 진동 질량 분포는 계단식 붕괴 $G' \to S + g \to \gamma\gamma + g$로 인해 약 750 GeV 근처에서 운동 에 bord를 보이며, 관측된 초과 현상에 대한 비레조넌스적 설명을 제공한다.
• 모형은 강한 주요 제트와 $p_T \lesssim 200$ GeV 이하의 보조 광자를 포함한 고유한 서명을 예측하며, 이는 스칼라 레조넌스 모형에는 존재하지 않는 특징이다.
• $G'$ 레조넌스 질량은 약 1.9 TeV이며, 이는 13 TeV와 8 TeV 간의 파arton 루미노시티 함수 비율을 크게 만들며, 8 TeV에서 신호가 관측되지 않은 이유를 설명한다.
• 모형은 모든 현재 LHC 제약 조건을 만족한다: 이중 잔여, $t\bar{t}$, 제트+광자, 그리고 8 TeV와 13 TeV에서의 이중 광자 레조넌스 탐색.
• 모형은 두 가지 새로운 레조넌스를 예측한다: $S$에서 유래한 제트+광자 레조넌스와 $G'$에서 유래한 제트+이중 광자 레조넌스로, 실험적 검증을 위한 명확한 서명을 제공한다.
• $m_{j_1\gamma_1\gamma_2}$와 $m_{j_1\gamma_1}$의 운동학적 분포는 각각 $m_{G'} \approx 1900$ GeV와 $m_S \approx 1695$ GeV에서 명확한 레조넌스를 보이며, 새로운 물리의 존재를 확인한다.