[논문 리뷰] The 750 GeV diphoton excess in a two Higgs doublet model and a singlet scalar model, with vector-like fermions, unitarity constraints, and dark matter implications

Shrihari Gopalakrishna, Tuhin Subhra Mukherjee|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 54인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 비례에서 두 가지 BSM 모델을 통해 이를 조사한다: 정렬 한계에서의 이중 힉스 두중체 모델(2HDM)과 벡터형 페르미온(VLF)을 가진 단일 스칼라 모델. VLF는 이중광자 비율에 필요한 효과적인 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi gg$ 쌍쇄를 생성할 수 있으며, 이는 유닛성, LHC 제약 조건, 암흑물질 잔류 밀도를 만족시킨다. 안정적이고 중성인 VLF를 암흑물질로 가지는 단일 모델은 정확한 잔류 밀도와 직접 탐지 신호를 달성한다.

ABSTRACT

We explore the possibility of a beyond the standard model scalar ($ϕ$) as a possible explanation of the diphoton resonance at 750~GeV invariant mass reported by the ATLAS and CMS collaborations at the large hadron collider (LHC). We first present in a model-independent way the scalar-gluon-gluon and scalar-photon-photon effective couplings needed for obtaining the required diphoton cross-section at the LHC for different total widths. We investigate here two new-physics possibilities that can generate these effective couplings, namely, (i) the 2-Higgs-doublet model (2HDM) in the alignment limit, and (ii) a singlet scalar, with vector-like fermions added and playing a crucial role in generating the effective couplings. We present the regions of model parameter space which are allowed by direct LHC and perturbative unitarity constraints, and that give the required diphoton cross-section at the LHC for various total widths. In the singlet case, we include the possibility that $ϕ$ decays into a pair of neutral stable vector-like fermions that could be dark matter. We find regions of parameter-space of the singlet model that gives the required diphoton rate, have the correct dark matter relic-density, have dark matter direct-detection rates compatible with current direct-detection experiments, and satisfy LHC bounds and perturbative unitarity constraints.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 공명을 모델 독립적인 효과적인 쌍쇄를 통해 설명하기 위해.
• 2HDM 및 단일 스칼라 모델에서의 벡터형 페르미온(VLF)이 필요한 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi gg$ 쌍쇄를 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 퍼티브 유닛성, LHC 직접 탐색 제약 조건, 다양한 총 너비에 대한 정확한 이중광자 단면적을 만족시키는 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 스칼라 $\phi$ 가 안정적인 VLF 쌍으로 붕괴할 수 있으며, 이는 정확한 잔류 밀도와 직접 탐지 신호를 가진 암흑물질 후보가 될 수 있는지를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 다양한 총 너비에 대해 관측된 이중광자 단면적을 재현하기 위해 필요한 모델 독립적인 효과적인 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi gg$ 쌍쇄 분석.
• 2HDM(유형 I, II, X) 및 VLF를 가진 단일 스칼라 모델에서의 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi gg$ 쌍쇄의 1-loop 계산.
• 작은 힉스 혼합의 극한에서도 가시계와 은폐계 사이를 연결하는 VLF 유도 쌍쇄 포함.
• Breit-Wigner 공명 요소와 $\phi$ 매개의 $\psi$-핵자 산란을 사용한 $\psi\psi \to \text{SM}$ 붕괴를 통한 암흑물질의 잔류 밀도 계산.
• 넓은 공명에 필요한 큰 쌍쇄를 제한하기 위해 퍼티브 유닛성 제약 조건 적용.
• LHC 제약 조건, 특히 $\phi \to hh$, $\phi \to WW$, 2HDM에서의 $\phi \to $ 채널에 대한 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM 또는 단일 스칼라 모델에서의 벡터형 페르미온이 750 GeV 이중광자 비례를 설명하기 위해 필요한 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi gg$ 쌍쇄를 생성할 수 있는가?
• RQ2 2HDM 및 단일 모델에서 퍼티브 유닛성 및 LHC 직접 탐색 제약 조건을 만족시키는 타당한 매개변수 영역는 무엇인가?
• RQ3 단일 모델에서 유래한 안정적이고 중성인 벡터형 페르미온이 정확한 잔류 밀도와 직접 탐지율을 가진 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ4 특히 총 너비가 $\Gamma_\phi \gtrsim 1$ GeV인 넓은 공명에 대해 VLF 존재가 총 너비와 이중광자 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $\phi \to hh$ 및 $\phi \to $ 채널 붕괴가 모델 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 정렬 한계에서의 2HDM에 벡터형 페르미온이 포함된 경우, 특정 유형(예: 유형-X)과 VLF 질량에서만 필요한 이중광자 비율을 생성할 수 있다.
• 단일 모델에서는 안정적이고 중성인 벡터형 페르미온이 $\psi\psi \to \text{SM}$ 붕괴를 통해 정확한 잔류 밀도를 달성할 수 있다.
• VLF 질량이 약 375 GeV이고 $\phi\psi\psi$ 쌍쇄가 적절히 조정된 경우, 직접 탐지 제약 조건을 만족시킨다.
• 큰 총 너비($\Gamma_\phi \gtrsim 30$ GeV)에서는 벡터형 쿼크 질량이 1000 GeV 이하일 경우에만 이중광자 비율을 달성할 수 있으며, 이는 긴 수명 상태가 아닐 경우 LHC 직접 탐색 제약 조건에 의해 제한된다.
• $\phi \to hh$ 붕괴 모드는 엄격한 제약 조건을 가하며, 분지 비율이 5% 이상이면 이미 이중 힉스 LHC 데이터로 인해 배제된다.
• ~375 GeV의 질량을 가진 채널 벡터형 렙톤은 $\phi\to\gamma\gamma$ 부분 붕괴 폭을 크게 증가시키며, LHC 탐색에서 검출 가능할 수 있다.