[論文レビュー] Can the 750 GeV diphoton LHC excess be due to a radion-dominated state?

Edward Boos, V. Bunichev+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、安定化されたランダール＝サンダースのbrane-worldモデルにおけるラディオン優位なスカラー状態が、LHCで観測された750 GeVの二光子過剰に起因する可能性を検討する。Kaluza-Kleinスカラー励起状態の寄与を含む有効ラグランジアンを用いた分析により、二光子生成断面積は観測された過剰を説明するには50〜100倍も小さく、モデルの最も単純なバージョンではこの解釈は排除される。

ABSTRACT

We discuss the possibility of interpreting the 125 GeV scalar boson and the 750 GeV diphoton excess recently reported by the ATLAS and CMS experiments as a Higgs-dominated and a radion-dominated states respectively in a stabilized brane-world model. It is shown that in the simplest variant of the model, where only the gravitational degrees of freedom propagate in the bulk, the production cross section of the radion-dominated state with mass 750 GeV turns out to be too small in the allowed region of the model parameter space for explaining the nature of the excess in this approach.

研究の動機と目的

• LHCにおける750 GeVの二光子過剰が、安定化されたランダール＝サンダースモデルにおけるラディオン優位なスカラー共鳴状態によって説明可能かどうかを評価すること。
• 5次元のbrane-world枠組みにおいて、125 GeVのヒッグス bosonと750 GeVの過剰がそれぞれヒッグス優位およびラディオン優位状態として解釈可能かどうかを評価すること。
• 有効ラグランジアンにKaluza-Kleinスカラー励起状態を組み込むことで、二光子生成断面積が観測信号と一致するほど十分に増幅されるかどうかを検証すること。
• 特に高次のKK状態を含めた場合に、このようなモデルで過剰を説明できないという以前の結論の妥当性が保たれるかどうかを検証すること。

提案手法

• 安定化されたランダール＝サンダースモデルに、バルクスカラー場（ゴールダーバーガー＝ワイズ機構）とSM場をTeV brane上に局在化させた有効低エネルギーラグランジアンを用いる。
• ヒッグス-ラディオン混合は、$ L_{\text{int}} = -\lambda(|H|^2 - \frac{\xi}{M}\phi^2)^2 $ という非最小結合項によってモデル化され、brane上での spontaneus symmetry breaking によって生成される。
• 有効ラグランジアンを用いて、750 GeV状態のグルーオン融合生成断面積と二光子崩壊幅を計算し、Kaluza-Kleinスカラー励起状態の全塔からの寄与を含む。
• パrameter空間における統計的分析を実施し、混合角 $ \theta $ とラディオン崩壊定数 $ \Lambda_r $ を中心に、断面積の等高線をパrameter空間にマップする。
• 以前の研究（ヒッグス-曲率結合を用いたもの）の結果と比較し、KK重力子質量と電子対・ジェット対探索の既知の制限と整合性を確認する。
• 混合角が小さい場合に支配的となる conformal anomaly 捕捉寄与を、二光子振幅に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力とバルクスカラー場のみを含む安定化されたランダール＝サンダースモデルにおけるラディオン優位なスカラー状態が、750 GeVの二光子過剰を生成断面積と崩壊幅の両面で再現可能か？
• RQ2 スカラー系のKaluza-Klein励起状態が、ラディオン優位状態の二光子生成断面積にどのように寄与するか？
• RQ3 高次共鳴状態を統合した有効ラグランジアンアプローチが、観測レベルに達する信号強度を十分に増幅できるか？
• RQ4 混合角が小さい領域において、conformal anomaly 捕捉寄与が二光子崩壊振幅に顕著に影響を与えるか？
• RQ5 KK重力子が2 TeV以上重いため、電子対・ジェット対チャネルに信号が観測されないという事実と、モデルが整合的か？

主な発見

• 750 GeVのラディオン優位状態の二光子生成断面積は、許容可能なパrameter空間内で最大でも0.14 fbにとどまり、観測された過剰を説明するには50〜100倍も小さい。
• Kaluza-Kleinスカラー励起状態の全塔を含めたとしても、断面積は観測信号強度に達するほど十分に増幅されず、このモデル設定ではこれらの状態による増幅効果は無視できるほど小さい。
• 混合角が小さい場合に支配的となるconformal anomaly寄与は、二光子振幅に大きな寄与をもたらすが、これだけでは観測信号強度を生成するには不十分である。
• KK重力子質量が2 TeVを超えているため、電子対およびジェット対チャネルに信号が観測されないという事実と、モデルは整合的である。
• 異なるパラメータライゼーションにおいても結論は一貫しており、重力および安定化スカラー自由度のみをバルクに持つ、最も単純な安定化brane-worldモデルのバージョンでは、750 GeV過剰のラディオン優位解釈は排除される。
• 以前の研究の結論を確認した：このようなモデルでは、追加の重い粒子（例：SM場のKK励起状態）がバルクを伝播しない限り、過剰を説明できない。これは、現在の枠組みをより複雑かつ非自明に拡張する必要があることを示唆する。