[論文レビュー] A new proposal for diphoton resonance from $E_6$ motivated extra $U(1)$

Kasinath Das, Tianjun Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、LHCで観測された750 GeVの二光子共鳴が、質量が750 GeV付近のペア生成されたベクトル励起型のダウン型クォーク（xd）に起因する可能性を提案している。これらのxdクォークは、標準模型クォークとシングレットスカラーに崩壊し、その後スカラーが二つの光子に崩壊する。このモデルはE6の巨大統一理論に基づくもので、2γ+2j最終状態では相関のあるダイジェット共鳴、4j最終状態では二つのダイジェット共鳴を予測する。これらの過程の断面積は二光子信号よりも約100倍大きく、LHCでの検証が可能である。

ABSTRACT

We propose that the diphoton resonance signal indicated by the recent LHC data might also arise from the pair productions of vector-like heavy down-type quarks with mass around $750$ GeV and above. The vector-like quark decays into an ordinary light quark and a Standard Model singlet scalar. The subsequent decay of scalar singlet produces the diphoton excess. Both the vector-like quark and singlet scalars appear naturally in the $E_6$, and their masses can be in the TeV scale with a suitable choice of symmetry breaking pattern. The prediction of such a proposal would be to see an accompanying dijet signal at the same mass with similar cross section in the $2γ+ 2j$ final state and two dijet resonances at the same mass for a $4j$ final state with a cross section, about 100 times larger. Both predictions can be tested easily as the luminosity accumulates in the upcoming runs of the LHC.

研究の動機と目的

• LHCデータで観測された750 GeVの二光子共鳴を、標準模型を越えたメカニズムで説明すること。
• ループ媒介のスカラー生成ではなく、ベクトル励起型のダウン型クォーク（xd）のペア生成による二光子共鳴の新しい生成チャネルを提案すること。
• 自然な粒子内容と量子数を持つE6巨大統一理論の枠組みの中で、このメカニズムの妥当性を検証すること。
• 今後のLHCデータで検証可能な追加の観測可能なシグネチャ—2γ+2jおよび4j最終状態におけるダイジェット共鳴—を予測すること。
• 標準模型ゲージボソンへの崩壊に基づく現在の実験的制限を避けられる可能性がある、ベクトル励起型クォークの代替探索チャネルを提供すること。

提案手法

• モデルは、TeVスケールで破れ、残りのU(1)対称性を残す追加のU(1)'ゲージ対称性を持つE6巨大統一理論に基づく。
• ベクトル励起型のダウン型クォーク（xd）は色三重項であり、SU(2)Lのシングレットで、電荷は-1/3であり、E6の27-パケットに自然に現れる。
• シングレットスカラーもE6スペクトルに含まれ、ペア生成されたxdクォークの崩壊によって生成され、主に強い相互作用を通じて進行する。
• 二光子最終状態は、ベクトル励起フェルミオンを含むループ図を通じたスカラーの後続崩壊によって生じる。この振幅は複数の世代によって強化される。
• スカラー質量がxdクォーク質量の近くに安定化されるような対称性の破れパターンを用いることで、共鳴生成が可能になる。
• 二光子、2γ+2j、4j最終状態の素過程断面積を、ヤコビ係数と質量パラメータに基づいて計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子共鳴は、ループ媒介のスカラー生成ではなく、ベクトル励起型のダウン型クォーク（xd）のペア生成によって説明可能か？
• RQ2 このメカニズムは、LHCにおけるマルチジェットおよび二光子最終状態にどのような特徴的なシグネチャをもたらすか？
• RQ3 E6巨大統一理論は、適切な量子数を持つ必要なベクトル励起型クォークとスカラー・シングレットを自然にどのように実現するか？
• RQ4 二光子断面積は、スカラーの真空期待値やベクトル励起型クォーク質量といったモデルパラメータにどのような制約を課えるか？
• RQ5 このモデルは、非摂動的ヤコビ係数を持つ既存のU(1)'ベースのモデルに対して、有効な代替案を提供できるか？

主な発見

• モデルは、約750 GeVのxdクォークのペア生成によって、その後軽いクォークと750 GeVのスカラー・シングレットに崩壊する過程により、二光子過剰を説明する。
• スカラー・シングレットは、ベクトル励起フェルミオンを含むループ図を通じて二つの光子に崩壊し、観測された二光子共鳴を生じる。
• 2γ+2j最終状態では、二光子共鳴と同じ質量にダイジェット共鳴が予測され、断面積は二光子信号と同等である。
• 4j最終状態では、同じ質量に二つのダイジェット共鳴が予測され、断面積は二光子断面積の約100倍大きい。
• 特に複数の軽いベクトル励起型レプトンが存在する場合、観測された二光子断面積（3–10 fb）を満たす広いパラメータ空間が存在する。
• xdペア生成による新しい生成チャネルは、現在の標準模型崩壊に基づく制限とは異なる、補足的かつよりアクセスしやすいベクトル励起型クォーク探索モードを提供する。