[논문 리뷰] Phenomenology of a 750 GeV Singlet

Adam Falkowski, Oren Slone외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 43인용 수 12

한 줄 요약

논문은 LHC 런-1 및 런-2 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성은 표준모형 힉스와 약하게 혼성하는 싱게트 스칼라 보손이 벡터형 퀼크와 결합하여 루프 진동도를 통해 광자와 글루온으로 붕괴되는 것으로 설명될 수 있다고 제안한다. 이론적 제약 조건으로부터 혼성각은 sinα ≲ 0.1로 제한되지만, 좁은 공진성이 유지될 수 있으며, 향후 검색에서 이중제트 및 잠재적으로 렙톤 제트 신호가 예상된다.

ABSTRACT

We study the recently reported excess in the diphoton resonance search by ATLAS and CMS. We investigate the available parameter space in the combined run-1 and run-2 diphoton data and study its interpretation in terms of a singlet scalar field which possibly mixes with the Standard Model Higgs boson. We show that the mixing angle is already strongly constrained by high-mass Higgs searches in the diboson channel, and by Higgs coupling measurements. While a broad resonance is slightly favored, we argue that the signal is consistent with a narrow-width singlet which couples to colored and electromagnetically-charged vector-like fermions. Dijet signals are predicted and may be visible in upcoming analyses. Allowing for additional decay modes could explain a broader resonance, however, we show that monojet searches disfavor a large invisible width. Finally, we comment on the possible relation of this scenario to the naturalness problem.

연구 동기 및 목표

• LHC 런-1 및 런-2 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진성의 새로운 스칼라 싱게트로의 해석을 시도한다.
• 표준모형 힉스 보손과 혼성하는 스칼라 싱게트의 가능성 평가를 위해 고질량 힉스 검색 및 힉스 신호 강도 측정 결과로부터의 제약 조건을 고려한다.
• 공진성이 좁은 너비를 가질 수 있는지 또는 넓은 너비를 가져야 하는지 평가하고, 이는 비가시 또는 가시 붕괴 모드에 어떤 의미를 갖는지 분석한다.
• 이러한 시나리오가 표준모형의 계층 문제와 자연성 문제와 어떤 관련이 있는지 탐색한다.
• 향후 LHC 분석에서 확인할 수 있는 이중제트 및 렙톤 제트 최종 상태와 같은 관측 가능한 서명을 예측한다.

제안 방법

• 색과 전하를 지닌 벡터형 퀄크와 결합하는 싱게트 스칼라 S를 포함하는 최소 효과 이론 모델을 구성한다.
• 벡터형 퀄크의 1-루프 기여를 계산하여 효과적인 Sγγ 및 Sgg 점을 도출하고, LHC에서 이중광자 및 글루온 융합 생성을 가능하게 한다.
• 런-1 및 런-2 이중광자 데이터를 종합하여 공진성의 질량, 너비, 횡단면에 대한 최적 적합 값 추출.
• 싱게트 S와 표준모형 힉스 보손 h 사이의 혼성각 α를 도입하고, 이중보손 붕괴 채널 및 힉스 신호 강도 측정 결과로부터의 제약 조건 평가.
• 비가시 붕괴 너비에 대한 모노제트 검색 결과의 제약 평가를 통해 큰 비가시 너비는 배제됨.
• 루프 보정에서 유도된 상쇄 조건을 사용하여, 벡터형 퀄크와 싱게트가 힉스 질량의 제곱수 분산을 상쇄시키는 데 기여할 수 있는지 확인함으로써 자연성 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루프 유도 결합을 통해 광자 및 글루온으로 붕괴되는 750 GeV 싱게트 스칼라가 ATLAS 및 CMS 데이터에서 관측된 이중광자 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 기존의 고질량 힉스 및 힉스 결합 측정 결과로부터 싱게트와 표준모형 힉스 사이의 혼성각은 얼마나 강하게 제약을 받는가?
• RQ3 특히 모노제트 및 이중제트 검색 결과로부터 현재 실험 제약 조건과 일치하는 넓은 공진성 너비는 가능한가?
• RQ4 이중제트 또는 렙톤 제트와 같은 추가 붕괴 채널은 모델 독립적인 싱게트 해석을 확인하는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ5 벡터형 퀄크와 싱게트 스칼라는 힉스 질량의 제곱수 분산을 상쇄시키는 데 기여할 수 있으며, 자연성 문제를 해결하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 이중광자 과잉 현상은 광자 및 글루온으로의 루프 유도 결합을 통해 색과 전하를 지닌 벡터형 페르미온과 결합하는 좁은 너비의 싱게트 스칼라와 일치한다.
• 이중보손 채널 검색 및 힉스 결합 측정 결과로부터 싱게트와 표준모형 힉스 사이의 혼성각은 sinα ≲ 0.1로 제약을 받으며, 큰 혼성은 배제된다.
• 데이터는 약간 넓은 너비를 선호하지만, 좁은 너비는 현재 데이터로는 배제되지 않으며 여전히 타당하다.
• 모노제트 검색 결과는 큰 비가시 너비를 강하게 배제하며, 이는 넓은 너비를 비가시 붕괴로 설명하는 데 어려움을 준다.
• 이중제트 신호는 예측되며, 향후 LHC 분석에서 관측 가능할 것으로 보이며, 싱게트 가설의 모델 독립적 검증 수단이 될 수 있다.
• 허용 가능한 매개변수 영역 내에서, 벡터형 퀄크와 싱게트 스칼라는 힉스 질량의 제곱수 분산 상쇄에 기여할 수 있으며, 자연성 문제와의 잠재적 연관성을 시사한다.