[논문 리뷰] LHC diphoton excess in a left-right symmetric model with minimal dark matter

Sanjib Kumar Agarwalla, Kirtiman Ghosh외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 750 GeV 스칼라 리조너анс의 루프 유도된 디포톤 결합을 강화하면서도 중성 성분이 타당한 암흑물질 후보가 되는 페르미온 퀠터플렛을 포함하는 좌우 대칭 모델을 제안한다. 양성 퀠터플렛 성분은 포톤-포톤 붕괴 너비를 크게 증가시켜 LHC 디포톤 초과 현상의 관측된 횡단단면적과 너비를 포톤-포톤 융합을 통해 성공적으로 설명한다. 암흑물질 질량은 자연스럽게 약 375 GeV이며, $ m_{Z_R} \sim 7 $ TeV일 때 LUX 직접 탐지 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

We construct a model containing a viable dark matter candidate, in the framework of left-right symmetry, which can explain both width and cross-section of the observed 750 GeV diphoton excess at the LHC. We introduce a fermion quintuplet whose neutral component can be a possible dark matter candidate, whereas the charged components enhance the loop induced coupling of a 750 GeV singlet scalar with a pair of photons. We study the photo-production of the singlet scalar and its various decay modes, successfully addressing both the ATLAS and the CMS diphoton excess.

연구 동기 및 목표

• LHC의 ATLAS 및 CMS 데이터에서 관측된 750 GeV 디포톤 초과 현상을 설명하기 위해, 약 45 GeV의 넓이를 가지며 약 5 fb의 신호 강도를 보이는 디포톤 진동 질량에서의 상당한 초과 현상에 기여한다.
• 우주론적 잔여 밀도 및 직접 탐지 제약 조건과 일치하는, 좌우 대칭 게이지 군 $ SU(3)_C \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L} $ 내에서 타당한 암흑물질 후보를 제공한다.
• 큰 디포톤 너비와 억제된 초기 상태 복사 사이의 갈등을 해결하기 위해, 양성자-양성자 융합보다 포톤-포톤 융합을 주요 생성 모드로 선호함으로써, 이론적 일관성을 확보한다.
• 벡터-유사 페르미온 퀠터플렛의 중성 성분이 암흑물질 입자로 기능하는 최소한의 암흑물질 모델을 구축한다. 이 질량은 자연스럽게 리조너анс 질량의 반값 근처에 위치한다.

제안 방법

• 750 GeV에서 실수 스칼라 싱게틀을 도입하여, 페르미온 퀠터플렛의 양성 성분을 포함하는 루프 다이어그램을 통해 포톤과 결합한다.
• 루프 유도된 결합 $ \Gamma(\phi \to \gamma\gamma) \propto \sum q_i^2 $ 를 활용하며, 여기서 $ q_i $ 는 퀠터플렛 페르미온의 전하이다. 이를 통해 디포톤 너비를 증가시킨다.
• LHC에서 포톤-포톤 융합을 통해 스칼라를 생성하는 모델을 수립하며, 횡단단면적을 $ \sigma(\gamma\gamma \to \phi) \propto \Gamma_{\text{TOT}} \cdot \text{Br}^2(\phi \to \gamma\gamma) $ 를 사용해 추정한다. 여기서 $ \sigma_0 \approx 240 $ fb 이다.
• SU(2)_R-게이지 대칭을 도입하여 무거운 $ Z_R $ 보손을 생성하며, 이는 암흑물질-핵자 산란을 매개한다. 이로 인해 횡단단면적은 $ \sigma \propto 1/m_{Z_R}^4 $ 으로 억제된다.
• 다양한 $ \lambda_\chi $ 와 $ m_{\chi^0} $ 를 가진 벤치마크 포인트를 설정하여 붕괴 너비, 산란 횡단단면적, LHC 생성률을 계산한다.
• LUX 직접 탐지 실험과의 일관성 검증을 수행하여, $ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV 는 $ m_{Z_R} \sim 7 $ TeV 일 때 허용된다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미온 퀠터플렛을 포함하는 좌우 대칭 모델이 ATLAS 및 CMS에서 관측된 750 GeV 디포톤 초과 현상의 횡단단면적과 너비를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 벡터-유사 페르미온 퀸터플렛의 중성 성분이 관측된 잔여 밀도와 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ3 양성자-양성자 융합과 대비하여, 포톤-포톤 융합이 초기 상태 복사를 억제하면서도 디포톤 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 페르미온 퀸터플렛의 양성 성분이 750 GeV 스칼라 입자가 포톤과의 루프 유도 결합을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 퀸터플렛 페르미온의 질량 분리와 붕괴 패턴이 LHC에서의 콜라이더 서명 및 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 13 TeV LHC에서 포톤-포톤 융합을 통한 750 GeV 스칼라 리조너анс 생성 횡단단면적은 약 4.0 fb로 추정되며, 관측된 신호 강도와 일치한다.
• 디포톤 붕괴 너비 $ \Gamma_{\gamma\gamma} \approx 0.73 $ GeV 는 양성 페르미온 퀸터플렛 덕분에 증가하였으며, 이는 루프에서 제곱에 비례하는 기여로 인해 관측된 넓은 너비를 설명한다.
• 질량 $ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV 인 퀸터플렛의 중성 성분은 WMAP/Planck 데이터와 일치하는 잔여 밀도를 가지며, 타당한 암흑물질 후보로 기능한다.
• 암흑물질-핵자 산란 횡단단면적은 $ 1/m_{Z_R}^4 $ 의 비율로 억제되며, $ m_{Z_R} \approx 7 $ TeV 일 경우 모델은 LUX 직접 탐지 제약 조건과 일치한다.
• 이 모델은 쌍생성된 양성 퀸터플렛 페르미온에서 기인한 놀라운 다중 렙톤 서명(예: 4개 이상의 동일 전하 렙톤)을 예측하지만, 질량 분리가 작기 때문에 렙톤은 종종 연약하다.
• 한 벤치마크 포인트에서 총 붕괴 너비 $ \Gamma_{\text{TOT}} \approx 31.9 $ GeV 로 계산되어 넓은 리조너анс를 형성하며, ATLAS에서 관측된 너비와 일치한다.