[논문 리뷰] Squarkonium/Diquarkonium and the Di-photon Excess

Mingxing Luo, Kai Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 이광자 과잉 현상을 설명하기 위한 메타안정성, 색성질을 띤 전하를 띤 스칼라 입자로 형성된 이색 온리아(squarkonium, diquarkonium, octetonium)를 조사한다. 고리에 의해 유도되는 붕괴를 통해 이러한 상태들은 γγ 최종 상태를 통해 이제트로 붕괴되며, diquarkonium과 octetonium는 10 fb 수준의 단면적을 예측하여 stoponium보다 훨씬 크며, 강한 콜라이더 제약 조건에도 불구하고 타당한 후보로 남아 있다.

ABSTRACT

Motivated by the recent di-photon excess by both ATLAS and CMS collaborations at the LHC, we systematically investigate the production and di-photon decay of onia formed by pair of all possible color exotic scalars in minimal extension. When such scalar massive meta-stable colored and charged (MMCC) particles are produced in pair near threshold, $\eta$ onium can be formed and decay into di-photon through annihilation as $pp o \eta o \gamma\gamma$. Squarkonium is formed by meta-stable squarks in supersymmetric models such as stoponium. Diquarkonium is formed by meta-stable color sextet diquarks which may be realized in the Pati-Salam model. Octetonium is formed by color octet scalars bosons as in the Manohar-Wise model. Stoponium prediction is much smaller than the required signal to account for the di-photon excess. Due to the enhancement factor from color and electric charge, predictions of diquarkonium and octetonium are of $\cal O$(10 fb) which are significantly greater than the stoponium prediction. Since the color enhancement also results in large production at the colliders, such light color exotic states of $\cal O$(375 GeV) suffer from severe direct search constraints. On the other hand, if their dominant decay mode involve top quark, they may be buried in the $t\bar{t}$ plus jets samples and can potentially be searched via $t+j$ resonance.

연구 동기 및 목표

• 메타안정성, 색성질, 전하를 띤 스칼라 입자로 형성된 이색 온리아를 제안하여 LHC에서 관측된 이광자 과잉 현상을 설명하고자 한다.
• 표준모형의 최소한의 확장에서 이러한 이색 온리아의 생성 및 이광자 붕괴 비율을 평가하고자 한다.
• 관측된 신호 강도를 고려할 때, stoponium에 대한 대안으로서 diquarkonium과 octetonium의 타당성을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 표준모형의 최소한의 확장에서 가능한 모든 색성질 이색 스칼라로 형성된 온리아의 생성 및 이광자 붕괴를 체계적으로 분석한다.
• 메타안정성, 전하를 띤, 색성을 띤 스칼라 쌍을 포함하는 고리 도형을 통해 $pp \to \eta \to \gamma\gamma$의 붕괴 과정을 모델링한다.
• 색성질과 전기적 전하 증폭 요소를 사용하여 이광자 생성의 효과적 결합 강도와 단면적을 추정한다.
• 특히 약 375 GeV 근처의 경량 이색 상태에 대해 직접 탐색 결과에서의 제약 조건을 적용한다.
• 주로 토프 쿼크 붕괴 모드로 인해 이러한 상태들이 토프 쿼크 + 제트 최종 상태에 숨어있을 가능성을 평가한다.
• 스쿼크륨, 디쿼크륨, 옥테토늄 간의 예측 단면적을 비교하며 주로 수준의 차이를 중점적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메타안정성, 색성질, 전하를 띤 스칼라 입자로 형성된 이색 온리아는 750 GeV에서 관측된 이광자 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 디쿼크륨과 옥테토늄은 스탑륨보다 훨씬 큰 이광자 단면적을 예측하는가?
• RQ3 색성질과 전기적 전하 증폭은 이러한 이색 온리아의 생성 및 붕괴 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 이색 상태의 주요 붕괴 모드는 무엇이며, 직접 탐색 제약 조건을 피할 수 있는가?
• RQ5 만약 주요 붕괴 모드가 토프 쿼크로 향한다면, 이러한 상태는 토프 쿼크 + 제트 최종 상태에서 재구성될 수 있는가?

주요 결과

• 디쿼크륨과 옥테토늄은 이광자 단면적이 약 10 fb 수준으로 예측되며, 이는 스탑륨의 예측보다 훨씬 크다.
• 색성질과 전기적 전하 증폭은 효과적 결합 강도를 크게 증가시켜 이광자 붕괴 비율을 높인다.
• 다른 생성 단면적이 크지만, 약 375 GeV 수준의 경량 이색 상태는 콜라이더 실험에서 심각한 직접 탐색 제약 조건을 받는다.
• 만약 주요 붕괴 모드가 토프 쿼크를 포함한다면, 이러한 상태들은 $t\bar{t} + \text{jets}$ 샘플에 숨어있을 수 있으며, 이는 $t+j$ 공명을 통한 간접 탐지 가능성을 열어준다.
• 모델은 디쿼크륨과 옥테토늄이 스탑륨보다 더 타당한 이광자 과잉 현상의 설명으로 작용할 수 있음을 시사한다. 이는 그들의 증폭된 결합 덕분이다.