[논문 리뷰] The Fourth Generation Quark and the 750 GeV Diphoton Excess

Yu-Jie Zhang, Bin-Bin Zhou외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 II에서 CMS와 ATLAS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상이 제4세대 쿼크의 결합 상태에서 기인할 수 있다고 제안한다. 특히 $z\bar{z} + y\bar{y}$의 $(z\bar{z} + y\bar{y})/\sqrt{2}$ 상태인 $\eta_{zy}(1S)$로, $z$ 및 $y$ 쿼크의 질량은 각각 380 GeV이다. 비상대론적 양자 chromodynamics와 결합 상태 계산을 통해, $\sqrt{S} = 13$ TeV에서 이중광자 생성 단면적을 $5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fb로 계산하였으며, 이는 관측된 초과 현상과 일치한다.

ABSTRACT

Recently, the CMS and ATLAS collaborations have reported a diphoton peak at 750 GeV in the RunII of LHC at 13 TeV. We assume that the heavy fourth generation quark doublet $z,~y$ with $380 $GeV mass, and the width of $z,t$ is much less $b$ quark. Then we show that the contributions of the $(z \bar z+y \bar y)/\sqrt{2}$ bound state $η_{zy}(1S)$ to the diphoton measurements through $σ(pp o η_{zy}(1s) o γγ) $ are $ 5.6^{+5.6}_{-2.8} { m fb}$ at $\sqrt S=13$ TeV. They are constant with the 750 GeV diphoton excess measured by the CMS ant ATLAS collaborations.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 II에서 CMS와 ATLAS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명하기 위해.
• 제4세대 쿼크의 결합 상태가 이 초과 현상을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 글루온 융합을 통한 $\eta_{zy}(1S)$ 상태의 생성 및 이중광자 붕괴를 모델링하기 위해.
• 예측된 단면적과 CMS 및 ATLAS의 실험 측정치 간의 일관성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 질량이 380 GeV이고 표준모형 쿼크와의 결합이 억제된 무거운 제4세대 쿼크 쌍($z$, $y$)을 가정한다.
• $\eta_{zy}(1S)$ 상태를 $z\bar{z}$ 및 $y\bar{y}$의 스핀 싱เก트론 결합 상태로 모델링하며, 수소 유사 궤도 함수를 사용한 변분 방법을 통해 파동함수를 유도한다.
• 주로 1차 QED 및 비상대론적 양자 색역학의 형식을 사용하여 이중광자 붕괴 너비 $\Gamma(\eta_{zy} \to \gamma\gamma)$를 계산한다.
• LO 부분자 수준 단면적과 PDF 콘볼루션을 사용하여 글루온 융합 생성 단면적 $\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$을 계산한다.
• 질량 척도에서 $\alpha_s \sim 0.162$ 및 $\alpha \sim 1/120$를 사용하며, 포텐셜에 상대론적 보정을 포함한다.
• $\sqrt{S} = 13$ TeV일 때 값이 2137인 적분 $\int_{\tau}^{1} \frac{dx}{x} f(x)f(\tau/x)$를 사용하여 총 단면적을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제4세대 쿼크의 결합 상태가 CMS와 ATLAS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\sqrt{S} = 13$ TeV에서 $\eta_{zy}(1S)$ 상태의 예측된 이중광자 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ3 $\eta_{zy}(1S)$의 전자약력 및 강력 붕괴 모드는 어떻게 비교되며, 특히 $z\bar{z}$ 및 $y\bar{y}$ 성분 간 상쇄 효과를 고려할 때 어떻게 되는가?
• RQ4 상대론적 보정 및 힉스 교환 포텐셜은 결합 에너지 및 원점에서의 파동함수를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 예측된 단면적이 관측된 $6 \pm 3$ fb (CMS) 및 $10 \pm 3$ fb (ATLAS) 측정치와 일치하는가?

주요 결과

• $\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$의 이중광자 생성 단면적은 $\sqrt{S} = 13$ TeV에서 $5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fb로 계산되었다.
• $\eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma$의 분해율은 $2.8 \times 10^{-3}$이며, 이중광자 너비는 0.86 MeV이다.
• 결합 상태 질량은 $M_{\eta_{zy}(1S)} = 750$ GeV로, 관측된 피크와 일치한다.
• 글루온 융합 생성 너비 $\Gamma(\eta_{zy}(1S) \to gg)$는 0.30 GeV로, 상당한 강입자 생성을 나타낸다.
• 원점에서의 파동함수는 $|R_{1s}(0)|^2 / m_{\eta_{zy}}^2 = 6.9$ GeV$^{-3}$를 만족하며, 붕괴율 계산에 핵심적이다.
• 상태 $\eta_{zy}(ns)$ ($n \geq 2$)는 관측된 너비에 기여할 수 있으며, 실험적으로 관측된 45 GeV 너비를 설명할 수 있다.