[논문 리뷰] Photo-production of a 750 GeV di-photon resonance mediated by Kaluza-Klein leptons in the loop

Steven Abel, Valentin V. Khoze|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중 광자 공명이 높은 차원 이론에서 칼루차-클라인(KK) 렙톤과 결합하는 스핀-0 스칼라 보손에서 기인한다고 제안한다. 여기서 고리 매개 생산 및 두 광자로의 붕괴는 KK 모드의 합산으로 인해 증폭된다. 이 모형은 큰 요카다 쿠르링 또는 글루온 융합을 요구하지 않으며, 2+1차원 이상의 더 컴act한 추가 차원에서의 KK 상태의 타워를 통해 자연스럽게 설명된다.

ABSTRACT

We consider the phenomenology of a 750 GeV resonance X which can be produced at the LHC by only photon fusion and subsequently decay into di-photons. We propose that the spin-zero state X is coupled to a heavy lepton that lives in the bulk of a higher-dimensional theory and interacts only with the photons of the Standard Model. We compute the di-photon rate in these models with two and more compact extra dimensions and demonstrate that they allow for a compelling explanation of the di-photon excess recently observed by the ATLAS and CMS collaborations. The central role in our approach is played by the summation over the Kaluza-Klein modes of the new leptons, thus providing a significant enhancement of the $X\ o \\gamma\\gamma$ loops for the production and decay subprocesses. It is expected that the jet activity accompanying these purely electromagnetic (at the partonic level) processes is numerically suppressed by factors such as $\\alpha_{em}^2 C_{q\\bar{q}}/C_{\\gamma\\gamma}\\sim 10^{-3}$.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중 광자 공명을 글루온 융합이나 큰 요카다 쿠르링을 요구하지 않고 설명하기 위해.
• 높은 차원 이론에서 칼루차-클라인 렙톤이 스핀-0 스칼라 공명의 이중 광자 붕괴 확률을 자연스럽게 증폭시킬 수 있는지 탐구하기 위해.
• 2+1차원 및 더 컴act한 추가 차원에서의 KK 모드 합산이 관측된 8 fb 비율에 도달할 만큼 충분히 큰 단면적을 생성할 수 있음을 보여주기 위해.
• α²em로 인한 억제에도 불구하고 순수하게 전자기적(γγ) 생산 과정이 KK 모드 기여를 통해 타당해질 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 모형은 글루온과의 결합을 피하기 위해 U(1)Y 초과전하 전류에만 결합하는 스핀-0 스칼라 공명 X를 도입하여 글루온 융합이 필요 없도록 한다.
• X의 생산 및 두 광자로의 붕괴는 추가 차원의 부피를 따라 전파되는 무거운 칼루차-클라인 렙톤 고리에 의해 일어난다.
• 고차원 시공간에서의 장 이론 기법을 사용하여 앰플리튜드를 계산하며, 칼루차-클라인 모드 합산 및 슈윙거 적절한 시간 정규화를 포함한다.
• 효과적 결합은 KK 모드 합산에서 유도되며, 기여하는 상태의 수가 많아지면서 γγ 붕괴 확률이 크게 증폭된다.
• 제로점 에너지 제어 및 고리 적분의 유한성을 확보하기 위해 포아송 재정렬과 모듈라 불변성을 사용한다.
• 5D 및 그 이상의 차원에서의 컴팩트화(차원 수 d ≥ 2)에 대해 분석을 확장하며, KK 타워에서 기인한 스칼라 질량 보정을 명시적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 차원에서 광자에만 결합하는 스칼라 보손이 칼루차-클라인 렙톤을 통해 750 GeV 이중 광자 공명을 설명할 수 있는가?
• RQ2 높은 차원 이론에서 칼루차-클라인 모드의 합산이 관측된 LHC 초과를 따라가기 위해 충분히 큰 γγ 붕괴 확률을 증폭시키는가?
• RQ3 α²em로 인한 억제에도 불구하고, KK 상태의 타워 기여로 인해 순수 전자기적 생산 메커니즘이 타당한가?
• RQ4 필요한 이중 광자 단면적을 달성하기 위해 컴팩트화 스케일과 추가 차원의 수가 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 KK 모드 합산을 통해 비중량론적 결합이나 큰 플레버 수를 피할 수 있는가?

주요 결과

• 2+1차원 및 더 컴팩트한 추가 차원에서의 칼루차-클라인 모드 합산은 X → γγ 붕괴 확률을 크게 증폭시켜 13 TeV에서 관측된 8 fb 단면적과 호환됨을 보여준다.
• 큰 요카다 쿠르링이나 비중량론적 물리학을 요구하지 않으며, 이는 다른 모형에서의 핵심 과제를 해결한다.
• γγ 최종 상태에서의 제트 활성도는 순수하게 전자기적 부분입자 반응으로 인해 약 10⁻³ 정도 감소하여 LHC 데이터와 일치한다.
• KK 렙톤 타워에서 기인한 스칼라 질량 보정 ΔM²_X는 유한하고 수렴하며, d = 1(5D) 및 그 이상의 차원에 대해 명시적인 표현이 유도되었다.
• 5D에서 q_F = 1/2일 경우, 스칼라 질량 보정은 ΔM²_X = y²M_c² × 7ζ(3)/(64π⁴)로 주어지며, 이는 유한하고 계산 가능한 연약한 질량을 나타낸다.
• KK 모드 증폭이 α²em 억제를 상쇄하므로, 컴팩트화 스케일의 넓은 범위에서 모형은 중량론적이고 타당하다.