[논문 리뷰] The $750\, ext{GeV}$ diphoton resonance in the light of a 2HDM with $S_3$ flavour symmetry

A. E. Cárcamo Hernández, Ivo de Medeiros Varzielas외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 공진성에 설명을 제공하기 위해, 전자기적 전하가 $+\frac{5}{3}$인 기괴한 톰 파artner와 전하가 있는 스칼라 싱게터를 포함하는 $S_3$ 풍미 대칭을 가진 2HDM을 제안한다. 공진성은 $Z_{14}$-파괴 스칼라 $\chi$에서 기인하며, 기하학적 삼각형 루프를 통한 기하학적 쿼크를 통해 글루온 융합 반응으로 생성된다. $O(1)$ 양자역학 상수를 가정할 경우 예측되는 횡단면은 약 $8\,\text{fb}$이며, 실험적 제한과 일치하며 $v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$를 예측한다.

ABSTRACT

Very recently we proposed a predictive 2 Higgs Doublet Model with $S_{3}$ flavour symmetry that successfully accounts for fermion masses and mixings. In this letter, motivated by the $750$ GeV Higgs diphoton resonance recently reported by the ATLAS and CMS collaborations, we modify this model by adding exotic top partners with electric charge $\frac{5}{3}$ and a electrically charged scalar singlet. These exotic top partners decay into a charged scalar singlet and the SM up type quarks, whereas the charged scalar singlet will mainly decay into SM up and down type quarks. This simple modification enables our model to successfully account for the Higgs diphoton excess at $750\, ext{GeV}$ provided that the exotic quark masses are in the range $[1,2]$ TeV, for $O(1)$ exotic quark Yukawa couplings.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS가 관측한 $750\,\text{GeV}$ 이중광자 공진성에 대해 예측 가능한 풍미 모델의 맥락에서 설명을 제공하기 위해.
• 기존의 $S_3$ 풍미 대칭을 가진 2HDM을 기반으로 하여, 전하가 $+\frac{5}{3}$인 기괴한 톰 파artner와 전하가 있는 스칼라 싱게터를 도입하기 위해.
• 모델이 쿼크 질량과 혼합을 유지하면서도 $750\,\text{GeV}$에서 공진성을 생성할 수 있도록 보장하기 위해.
• $Z_{14}$ 파괴의 스케일을 제약하고 공진성에 대한 타당한 매개변수 영역을 예측하기 위해.

제안 방법

• 전하가 $+\frac{5}{3}$인 $SU(2)_L$ 싱게터 기하학적 쿼크 네 개를 도입하여 $Z_{14}$-파괴 스칼라 $\chi$와 결합시키며, 이들은 $S_3$ 쌍형으로 변환된다.
• 기하학적 쿼크가 SM의 업형 쿼크로 붕괴되는 것을 매개하는 전하가 있는 스칼라 싱게터를 가정한다.
• 기하학적 쿼크를 포함한 삼각형 도형을 통한 루프 유도 글루온 융합 반응으로 $\chi$ 생성을 고려한다.
• 루프 함수 $F(x_T)$와 $K^{gg}$ 보정 행렬 원소를 사용하여 이중광자 붕괴 폭 $\Gamma(\gamma\gamma \to \chi)$와 글루온 융합 횡단면 $\sigma(pp \to \chi \to \gamma\gamma)$를 계산한다.
• MSTW2008 NLO 글루온 분포 함수를 사용하고 $v_\chi$와 양자역학 상수를 변화시켜 실험적 횡단면 제한과 일치시키며.
• 실험적 횡단면 제한($6\pm3\,\text{fb}$, CMS; $10\pm3\,\text{fb}$, ATLAS)을 만족시키기 위해 $v_\chi$에 대한 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $S_3$ 대칭을 가진 2HDM에서 $Z_{14}$-파괴 스칼라가 $750\,\text{GeV}$ 이중광자 공진성에 기여할 수 있는가?
• RQ2 기하학적 $+\frac{5}{3}$ 전하를 가진 톰 파artner는 공진성의 생성과 붕괴를 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 실험적 횡단면 제한과 일치시키기 위해 스칼라 진공 기대값 $v_\chi$와 기하학적 쿼크 양자역학 상수의 타당한 매개변수 범위는 무엇인가?
• RQ4 모델은 쿼크 질량 텍스처와 관측된 이중광자 초과 현상 양쪽 모두와 일관성이 있는가?

주요 결과

• $750\,\text{GeV}$ 이중광자 공진성은 $Z_{14}$-파괴 스칼라 $\chi$에서 기인하며, 이는 전하가 $+\frac{5}{3}$인 기하학적 톰 파artner의 루프를 통해 글루온 융합 반응으로 생성된다.
• 양자역학 상수가 $O(1)$이고 $v_\chi \approx 1.2\,\text{TeV}$일 경우, 예측되는 이중광자 횡단면은 약 $8\,\text{fb}$이며, 이는 CMS의 $6\pm3\,\text{fb}$ 및 ATLAS의 $10\pm3\,\text{fb}$ 실험 제한 범위 내에 들어간다.
• 전체 횡단면은 $v_\chi$와 기하학적 쿼크 양자역학 상수의 영향을 크게 받으며, 상수가 클수록 $v_\chi$가 낮을수록 횡단면이 크게 증가한다.
• 실험적 제한과 일치하기 위해 모델은 $v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$를 요구하며, 이는 $Z_{14}$ 파괴 스케일과 $\chi$ 및 기하학적 쿼크의 질량이 모두 동일한 테바르 수준에 고정됨을 의미한다.
• 모델은 $S_3$ 풍미 대칭을 통해 쿼크 질량과 혼합을 설명하는 동시에 공진성을 성공적으로 통합하며, 기존의 데이터와 일관성을 유지한다.
• 전하가 있는 스칼라 싱게터는 기하학적 쿼크가 SM의 업형 및 다운 쿼크로 붕괴되는 것을 매개하며, $\chi$ 보손은 기하학적 쿼크를 포함한 루프 도형을 통해 주로 광자로 붕괴된다.