[논문 리뷰] Production and Decay of 750 Gev state of 6 top and 6 anti top quarks

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 및 CMS에서 관측된 750 GeV 이중 광자 초과 현상이 새로운 물리학을 도입하지 않고도 표준모형 내에서 여섯 개의 토프 쿼크와 여섯 개의 반토프 쿼크의 결합 상태로 설명될 수 있다고 제안한다. 베티-살파터 파동함수와 일괄 근사에 기반한 난잡한 추정을 통해 13 TeV에서 약 2 pb의 쌍 생성 단면적과 LHC 데이터와 일치하는 분해비율을 예측하며, 파동함수 겹침으로 인해 이중 광자 붕괴율이 억제되나 글루온 교환으로 인해 강화된다.

ABSTRACT

Crude estimates are made of the branching ratios and pair production cross-section for our previously proposed bound state S of six top and six antitop quarks identified with the diphoton excess recently observed in ATLAS and CMS. We estimate the pair production cross section to be approximately 12 times that for fourth family quarks. Hence we predict $σ(pp ightarrow SS + anything) \approx 2$ pb at 13 TeV and an increase by a factor 10 over the cross section at 8 TeV. Crude estimates of the main branching ratios relative to the diphoton decay give $Γ(S ightarrow γ+γ) \propto 1$, $Γ(S ightarrow t + \bar{t})\propto 378$, $Γ(S ightarrow gluon+gluon)\propto 117$, $Γ(S ightarrow Higgs+Higgs)\propto 15$, $Γ(S ightarrow W+W)\propto 30$ and $Γ(S ightarrow Z+Z) = 15$. These estimates are consistent with the LHC bounds at 8 TeV within a factor 1.25. We expect the $S ightarrow γγ$ events to be produced together with another S resonance decaying typically into top-antitop or gluon-gluon jets.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS에서 관측한 750 GeV 이중 광자 공명을 새로운 입자나 상호작용을 도입하지 않고 설명하기 위해.
• 일괄 근사를 사용하여 글루온 융합를 통한 결합 상태 S의 쌍 생성 단면적 σ(pp → SS + anything)를 추정하기 위해.
• 주요 붕괴 채널인 γγ, tt̄, gg, HH, WW, ZZ에 대한 상대 분해비율을 계산하기 위해.
• 8 TeV 및 13 TeV에서의 기존 LHC 제약 조건과 모델의 일관성을 평가하기 위해.
• 이중 광자 사건이 토프-반토프 또는 글루온 제트로 붕괴하는 두 번째 S 공명을 동반할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 여섯 개의 토프 쿼크와 여섯 개의 반토프 쿼크가 1s 상태에서 형성하는 결합 상태 S를 모델링하기 위해 베티-살파터 형식을 사용한다.
• 쌍 생성 단면적을 추정하기 위해 일괄 근사를 적용하며, 이는 네 번째 가닥 쿼크 쌍 생성에 비해 12 배의 요인으로 스케일링된다.
• 한 쌍의 붕괴(일차 루프)와 다른 쌍의 붕괴(이중 루프)를 고려하여 붕괴 진폭을 추정하며, 부호 문제로 인한 간섭 항을 무시한다.
• 파동함수 겹침과 결합 강도에 기반한 억제 요인을 바탕으로 상대 분해비율을 할당하며, γγ 붕괴를 기준으로 삼는다.
• 네 번째 가닥 쿼크 쌍 생성의 알려진 단면적을 사용하여 8 TeV 및 13 TeV에서 S 생성 단면적을 추정한다.
• 전역 양자수 보존(예: 약한 이소스핀)과 전하 전류를 포함하는 이중 루프 붕괴에서 힉스 교환의 필요성을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중 광자 공명은 표준모형 내에서 여섯 개의 토프 쿼크와 여섯 개의 반토프 쿼크의 결합 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 13 TeV LHC 에너지에서 이러한 결합 상태의 예상 쌍 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ3 γγ, tt̄, gg, HH, WW, ZZ와 같은 주요 붕괴 모드의 상대 분해비율은 무엇인가?
• RQ4 모델의 붕괴 너비가 LHC의 실험적 제약 조건과 에너지 해상도와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이중 광자 사건은 토프-반토프 또는 글루온 제트로 붕괴하는 두 번째 S 공명을 동반할 것으로 예상되는가?

주요 결과

• S 공명의 쌍 생성 단면적은 13 TeV에서 약 2 pb로 추정되며, 관측된 4–10 fb의 이중 광자 단면적과 일치한다.
• 이중 광자 붕괴 너비는 총 너비 대비 약 558 배의 억제로 인해 매우 좁은 공명으로, LHC 에너지 해상도보다 훨씬 작다.
• S → γγ의 분해비율은 1에 비례하는 것으로 추정되며, S → t + t̄는 가장 큰 분해비율을 보이며 378에 비례한다.
• 모델은 S → 힉스 + 힉스 및 S → W+W, S → Z+Z 붕괴가 실험적 제약 조건에 매우 가까이 있으며, 약 15 배의 억제 요인을 가진다.
• 생산 단면적은 12 개의 구성(반)쿼크를 기반으로 네 번째 가닥 쿼크 쌍 생성에 비해 12 배로 추정된다.
• 모델은 이중 광자 사건이 토프-반토프 또는 글루온 제트로 붕괴하는 두 번째 S 공명을 동반할 가능성이 높다고 예측한다. 이는 쌍 생성으로 인한 것이다.