[논문 리뷰] Neutrino Mass Generation and 750 GeV Diphoton excess via photon-photon fusion at the Large Hadron Collider

Kirtiman Ghosh, Sudip Jana외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 테브 스케일의 이소스핀-3/2 스칼라 다중구조와 전자기력 단일 스칼라 진동자 를 통해 LHC에서 관측된 750 GeV 이중 광자 붕괴와 미세한 중성미오 질량을 통합적으로 설명하는 모델을 제안한다. 이중 광자 붕괴는 광자-광자 결합에서 기인하며, 다중 전하를 가진 스칼라의 루프 유도 증폭 효과로 인해 발생한다. 이는 매개변수 공간의 상당 부분에서 관측된 3–10 fb의 단면적을 성공적으로 재현하며, $ZZ$, $WW$, $hh$ 최종 상태에 대해 측정 가능한 비율을 예측한다.

ABSTRACT

We propose a new model for explaining the diphoton excess observed at the LHC. The uniqueness of our model is that this excess is being produced by photon-photon induced sub-process. The model includes an isospin $3/2$ scalar multiplet (having triply, doubly and singly charged scalars) at the electroweak (EW) scale to explain the observed neutrino masses via the effective dimension $7$ operator. The model also include a singlet scalar which is the di-photon resonance. The loop induced coupling of the singlet scalar with a pair of photons is enhanced due to contributions from multi-charged EW-scale scalars (component of isospin $3/2$ multiplet) in the loop. We examine the production of the singlet scalar at the LHC via photon-photon fusion sub-process and its subsequent decay to di-photon. We found that a large part of parameter space of the present model can explain the observed excess of di-photon events at the LHC. We also study the other decay modes of the singlet scalar and the ensuing predictions can be tested in the upcoming runs at the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2에서 관측된 750 GeV 이중 광자 붕괴를 글루온 융합 이외의 새로운 생성 메커니즘으로 설명하기 위해.
• 테브 스케일에서 차원-7 효과적 연산자를 통해 미세한 중성미오 질량을 동시에 설명하기 위해.
• 이중 광자 진동자에 대한 광자-광자 융합이 주요 생성 채널이 될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 다른 붕괴 모드와 단면적에 대한 실험 제약 조건과의 일관성을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 이소스핀-3/2 스칼라 다중구조를 도입하여 삼중, 이중, 단일 전하 성분을 포함하고, 이를 통해 차원-7 연산자를 통한 중성미오 질량을 생성한다.
• 750 GeV 이중 광자 진동자로 사용되는 전자기력 단일 스칼라 $S$ 를 추가하며, 트리 수준에서 SM 게이지 보손과는 분리되어 있다.
• 이소스핀-3/2 다중구조 내의 다중 전하 스칼라 기여로 인해 루프 유도된 $S\gamma\gamma$ 결합을 계산한다.
• 광자 파arton 분포 함수와 총 붕괴 폭을 사용하여 LHC에서 $S$ 의 광자 융합 단면적을 추정한다.
• $\lambda_{10}$ 와 $\lambda_{11}$ 에 대한 매개변수 스캔을 수행하여 관측된 3–10 fb 이중 광자 붕괴와 일치하는 영역을 식별한다.
• $S \to \gamma\gamma$, $ZZ$, $WW$, $hh$, $Z\gamma$, $t\bar{t}$, $gg$ 의 분해비율과 단면적을 평가하여 모델의 타당성을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중 광자 붕괴는 글루온 융합이 아닌 광자-광자 융합을 통해 설명될 수 있는가?
• RQ2 단일 모델이 동시에 이중 광자 붕괴를 설명하고 차원-7 연산자를 통해 미세한 중성미오 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ3 다중 전하 스칼라는 $S\gamma\gamma$ 결합을 강화하고 광자 융합을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 단일 스칼라 $S$ 의 어떤 붕괴 모드가 LHC에서 관측 가능한 단면적을 예측하는가?
• RQ5 $\lambda_{10}$ 와 $\lambda_{11}$ 의 어떤 매개변수 영역이 관측된 이중 광자 붕괴와 실험 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 매개변수 공간의 상당 부분($\lambda_{10}$–$\lambda_{11}$ 영역, 그림 4의 파랑 색상 영역)에서 13 TeV에서 관측된 3–10 fb 이중 광자 붕괴를 재현한다.
• 기준점 BP1에서 최대 7.93 fb의 이중 광자 분해비율을 예측하며, 관측된 붕괴와 일치한다.
• $hh$, $WW$, $ZZ$ 최종 상태의 단면적은 각각 11.26 fb, 5.89 fb, 약 0 fb로 예측되며, 모두 검증 가능한 범위 내에 있다.
• $Z\gamma$ 와 $gg$ 최종 상태의 단면적은 각각 0.3 fb 이하와 $10^{-4}$ fb 이하로 매우 작아 측정 가능성이 없으며, 실험 제약 조건과 일치한다.
• $t\bar{t}$ 와 $Z\gamma$ 모드의 단면적은 각각 1.5 fb 이하와 0.25 fb 이하로 예측되며, 관측한 제약 조건 이하로 매우 낮다.
• 모델은 단일 프레임워크 내에서 이중 광자 붕괴와 중성미오 질량을 성공적으로 설명하며, SM 게이지 보손이나 페르미온과의 트리 수준 결합이 없다.