[논문 리뷰] Radion Candidate for the LHC Diphoton Resonance

Debjyoti Bardhan, Disha Bhatia외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 53인용 수 71

한 줄 요약

이 논문은 약 750 GeV에서 관측된 LHC 이광자 공명이 골드버거-위즈 메커니즘을 통해 안정화된 비틀림이 있는 추가 차원 모형에서의 라디언일 수 있다고 제안한다. 적어도 하나의 벡터형 페르미온 세대를 적외선 브레인에 도입함으로써, 모형은 필요한 큰 이광자 너비를 달성하면서도 이제트(rate)를 억제하여 관측된 신호를 성공적으로 설명하면서 다른 채널에서의 null 결과와 충돌하지 않는다.

ABSTRACT

The recent observation of a modest excess in diphoton final states at the LHC, by both the ATLAS and CMS Collaborations, has sparked off the expected race among theorists to find the right explanation for this proto-resonance, assuming that the signal will survive and not prove to be yet another statistical fluctuation. We carry out a general analysis of this `signal' in the case of a scalar which couples only to pairs of gluons (for production) and photons (for diphoton decay modes), and establish that an explanation of the observed resonance, taken together with the null results of new physics searches in all the other channels, requires a scalar with rather exotic behaviour. We then demonstrate that a fairly simple-minded extension of the minimal Randall-Sundrum model can yield a radion candidate which might reproduce this exotic behaviour.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이광자 공명을 표준모형을 초월한 스칼라 공명으로 설명하기 위해.
• 쿼크 및 게이지 보손과의 결합이 억제된 모형을 통해 관측된 이광자 신호와 다른 채널(예: 이제트, WW, ZZ)에서의 신호 부재를 조화롭게 조화시키기 위해.
• 너비와 분해비율을 포함해 공명의 관측된 성질을 재현할 수 있는 랜달-선드럼 모형의 최소적이고 실현 가능한 확장 구축하기 위해.
• 헤이그스 보손과 혼성된 라디언 상태가 골드버거-위즈 메커니즘에 의해 안정화되며, 모든 실험적 제약 조건을 충족시킬 수 있음을 보여주기 위해.
• 적외선 브레인에 벡터형 페르미온을 포함함으로써 이광자 너비가 자연스럽게 증가하고 이면에서의 비율이 제한 내에 유지됨을 보여주기 위해.

제안 방법

• 비틀림이 있는 추가 차원과 골드버거-위즈 메커니즘을 통한 모듈러스 안정화를 포함한 최소한의 랜달-선드럼 모형을 채택하기 위해.
• 표준모형 헤이그스 보손과 혼성되는 라디언 상태를 도입하며, 더 무거운 고유상태가 브레인 상의 표준모형 필드와 분리되도록 혼성 파라미터를 조정하기 위해.
• 쿼크와 벡터형 페르미온의 한 루프 기여를 사용하여 라디언의 글루온(𝑐𝑔)과 광자(𝑐𝛾)에 대한 효과적 결합을 계산하기 위해.
• 𝛽 함수 계수(𝑏₁, 𝑏₂, 𝑏₃)를 사용하여 결합 상수의 러닝을 결정하고, 원하는 𝑐𝛾/𝑐𝑔 비율을 달성하기 위해 페르미온 세대의 수를 조정하기 위해.
• 이광자 최종 상태의 생산 단면적 추정치를 향상시키기 위해 K-요소(~2)를 통해 QCD 보정을 포함하기 위해.
• 헤이그스 신호 강도(예: 𝜇𝑊𝑊)와 이제트 비율 제약 조건을 사용하여 𝑐𝛾–𝑐𝑔 평면 상의 허용 영역을 매핑하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림이 있는 추가 차원 모형에서의 라디언이 다른 LHC 채널에서의 null 결과와 일치하면서도 750 GeV 이광자 공명을 설명할 수 있는가?
• RQ2 필요한 큰 이광자 너비와 작은 이면 비율을 갖는 공명을 생성할 수 있는 표준모형의 최소적 확장은 무엇인가?
• RQ3 적외선 브레인에 존재하는 벡터형 페르미온이 라디언의 글루온 및 광자에 대한 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 라디언의 결합은 어느 정도 조정될 수 있으며, 이광자 신호 강도와 이면 비율 제약 조건을 동시에 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 적외선 브레인에 벡터형 페르미온을 포함시키면 125 GeV에서의 헤이그스 신호 강도 측정 결과와 충돌을 일으키는가?

주요 결과

• 적외선 브레인에 한 세대의 벡터형 페르미온을 포함시키면 효과적 쿼크 수가 증가하여 𝑐𝛾/𝑐𝑔 비율이 |𝑐𝛾 ≈ 0.216 𝑐𝑔|로 이동하며, 이는 이광자 신호에 대해 허용 영역 내에 들어간다.
• 표준모형 + 벡터형 페르미온(SM + VF) 모형은 라디언의 진동수 평형 상수 Λ𝜑 > 700 GeV일 경우 필요한 이광자 단면적을 성공적으로 생성한다. 그림 2에서 보여진 바와 같다.
• 표준모형 전용 시나리오는 충분한 이광자 사건을 생성하지 못하며, 이면 비율 제약 조건으로 인해 신호 강도 제약 조건을 고려하기 이전에도 이미 배제된다.
• SM + VF 시나리오는 SM 전용 사례보다 헤이그스 신호 강도(𝜇𝑊𝑊) 제약 조건으로부터 덜 제약을 받으며, 그림 2의粉색 영역은 타당한 매개변수 영역을 나타낸다.
• 라디언이 쿼크와 약하게 결합하고, 벡터형 페르미온이 적외선 브레인에 국한되어 있기 때문에 트리 레벨의 이면 생성이 억제되어 이면 과잉을 피한다.
• 라디언의 너비는 루프 기여로 인한 증가된 이광자 붕괴 비율 덕분에 자연스럽게 질량의 약 6% (약 45 GeV) 정도가 되며, 이는 관측된 공명 너비와 일치한다.