[논문 리뷰] The force awakens - the 750 GeV diphoton excess at the LHC from a varying electromagnetic coupling

Ulf Danielsson, Rikard Enberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 변하는 전자기 상수 프레임워크 내에서 무거운 스칼라 보스론에 기인한다고 제안한다. 이 스칼라 보스론은 쿼크-반쿼크 결합 또는 광자-광자 결합을 통해 생성되며, 주로 이중광자로 붕괴된다. 모형은 스칼라 질량을 750 GeV로 고정하고, 새로운 물리의 스케일을 1.5–2 TeV로 설정하여, 삼체 붕괴를 통한 이중 레프톤-광자 공명을 예측한다.

ABSTRACT

We show that the recent 750 GeV diphoton excess observed at the LHC may be explained by the production of a scalar of the type involved in Bekenstein's framework for varying-$\alpha$ theories, with the difference that the scalar in our model has a large mass. The model has only two free parameters, the mass of the scalar and the scale of this new physics, which are fixed by the LHC excess to 750 GeV and 1.5-2 TeV, respectively. We discuss collider and cosmology aspects of the model, and give predictions for future LHC searches. In particular, the scalar is dominantly produced by quark-antiquark fusion in association with a photon or a fermion pair. In addition, it can be produced in the s-channel in photon-photon fusion. Its dominating decay is to diphotons, but it also has a large three-body decay to a fermion pair and a photon, which provides an interesting search channel with a dilepton-photon resonance at 750 GeV. We also comment on the possibility that the new physics is related to extra dimensions or string theory.

연구 동기 및 목표

• 변하는 전자기 상수 이론 내에서 스칼라 보스론을 통해 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 공진을 설명한다.
• 표준모형 확장 이론에서 이 공진을 설명하지 못하는 점을 보완하기 위해 질량이 큰 스칼라와 두 개의 자유 매개변수를 도입한다.
• 향후 LHC 런에서 검증할 수 있는 새로운 콜라이더 서식, 특히 이중 레프톤-광자 공진을 예측한다.
• 제안된 스칼라의 천체물리적 및 추가 차원적 함의를 탐색하며, 끈 이론과 같은 광범위한 이론적 프레임워크와 연결한다.

제안 방법

• Bekenstein의 변하는-$\alpha$ 이론을 750 GeV의 큰 질량을 가진 스칼라 장을 포함하도록 변형한다.
• 스칼라 질량과 새로운 물리의 스케일을 유일한 두 개의 자유 매개변수로 가지는 모형을 구성하며, LHC 데이터에 의해 이 스케일이 1.5–2 TeV로 고정된다.
• 쿼크-반쿼크 결합 및 광자-광자 결합을 통한 생성 단면적을 계산하여 주요 생성 메커니즘을 규명한다.
• 붕괴 분지비를 계산하여 이중광자로의 붕괴가 지배적이며, 레프톤 쌍과 광자로의 삼체 붕괴도 유의미한 비율을 가짐을 보여준다.
• 스칼라와 표준모형 장 간의 상호작용을 기술하기 위해 유효장이론 기법을 사용한다.
• 모형이 천체물리적 제약과 일치하는지 분석하고, 추가 차원 또는 끈 이론과의 잠재적 연관성을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변하는 전자기 상수 이론 내에서 질량이 큰 스칼라 보스론이 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 LHC에서 스칼라 보스론의 주요 생성 메커니즘는 무엇이며, 표준모형 예측과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ3 스칼라 보스론의 주요 붕괴 채널은 무엇이며, 이중광자 최종 상태 이외의 관측 가능한 서식을 제공하는가?
• RQ4 스칼라 질량과 새로운 물리의 스케일로 구성된 모형의 매개변수 공간은 관측된 공진을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 이 스칼라 보스론은 추가 차원 또는 끈 이론과 관련이 있을 수 있으며, 이는 초표준모형 물리학에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 관측된 이중광자 공진에 의해 스칼라 질량은 750 GeV로 고정되며, LHC 데이터의 피크와 정확히 일치한다.
• 새로운 물리의 스케일은 1.5–2 TeV로 제약되며, 모형의 매개변수 공간과 콜라이더 제약 조건과 일치한다.
• 주요 생성 모드는 광자 또는 레프톤 쌍과 함께 쿼크-반쿼크 결합과 s-채널 광자-광자 결합이다.
• 스칼라 보스론은 주로 이중광자로 붕괴하지만, 레프톤 쌍과 광자로의 큰 분지비를 가지며, 이는 750 GeV에서 이중 레프톤-광자 공진 탐색을 가능하게 한다.
• 모형은 향후 고통계 데이터로 탐색 가능한 특징적인 삼체 붕괴 채널을 예측한다.
• 이 프레임워크는 천체물리적 관측과 일치하며, 추가 차원 또는 끈 이론을 포함하는 이론들에 통합될 수 있다.