[论文解读] Constraints on 750 GeV colorless Q-onia from running couplings

Luis A. Anchordoqui, Haim Goldberg+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种复合模型，通过在新的规范对称群 SU(N_TC) 和电弱规范群下变换的矢量型费米子的束缚态（Q-油）来解释大型强子对撞机（LHC）中750 GeV双光子过剩现象。利用库仑近似，该模型拟合了双光子数据，并得出允许的超荷范围：当 N_TC=2 时，2.26 ≤ Y_Q ≤ 2.53；当 N_TC=3 时，2.17 ≤ Y_Q ≤ 2.31，其关键标志性预测为 η_Q → ZH 衰变。

ABSTRACT

We present yet another composite model explaining the relatively broad peak in the diphoton invariant mass distribution around 750 GeV recently observed at the LHC experiments. We consider the excess originates in bound states of vector-like fermions Q transforming under the electroweak group (but not QCD) of the standard model and which are also charged under a new SU(N_{TC}) QCD-like confining force. Since the new uncolored fields transform as SU(2) doublets they can acquire a mass through Yukawa interactions with the electroweak Higgs doublet, as quarks and leptons. We parametrize the Q-onium bound state using the Coulomb approximation and give a numerical fit to the diphoton excess consistent with no strong coupling effects up to about 30 TeV, which is the energy scale for next generation colliders. The range of allowed hypercharge Y_Q is given by 2.26 \leq Y_Q \leq 2.53 for N_{ m TC} =2 and 2.17 \leq Y_Q \leq 2.31 for N_{ m TC} = 3. The smoking gun for the model would be the discovery of Q-onia decaying into Higgs and Z-boson.

研究动机与目标

• 将大型强子对撞机（LHC）运行2阶段数据中观测到的 750 GeV 双光子共振态解释为新矢量型费米子的束缚态。
• 构建一个包含隐藏规范对称群 SU(N_TC) 和电弱对称性的最小复合模型。
• 使用 Q-油束缚态的库仑近似拟合双光子过剩信号，同时确保与高达 30 TeV 的跑动耦合一致。
• 约束新费米子的超荷 Y_Q，使其与观测到的双光子信号及实验限制一致。
• 识别一个标志性信号——η_Q → ZH 衰变——以供未来实验验证该模型。

提出的方法

• 使用库仑近似对 Q-油束缚态进行建模，将新规范束缚力类比为氢原子系统中的 QCD。
• 在矢量型费米子 Q 与电弱希格斯双重态之间引入 Yukawa 耦合以生成质量，类比夸克质量的产生机制。
• 利用 SU(N_TC) 规范群的跑动耦合，约束微扰方法仍有效的能量尺度（高达 ~30 TeV）。
• 计算双光子衰变宽度 σ × BR(η_Q → γγ)，并将其与 LHC 数据中观测到的 5 fb 截面进行拟合。
• 应用大爆炸核合成（BBN）的约束，确保技术胶球衰变不会破坏轻元素的丰度。
• 推导技术胶球（G_TC → γγ）的衰变宽度，并确认其寿命足够短（<10⁻²⁸ s），以避免破坏 BBN。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV 双光子过剩是否可由新规范对称群下的矢量型费米子束缚态解释？
• RQ2 在保持与高达 30 TeV 跑动耦合一致的前提下，拟合双光子信号后，允许的超荷 Y_Q 范围是什么？
• RQ3 该模型在宇宙学方面有何约束，特别是技术胶球在大爆炸核合成期间的衰变？
• RQ4 η_Q → ZH 的分支比预测为何？其与双光子衰变宽度相比如何？
• RQ5 Q 场的 Yukawa 耦合如何影响高能下电弱真空的稳定性？

主要发现

• 该模型使用 Q-油束缚态的库仑近似，成功拟合了 750 GeV 处观测到的约 5 fb 双光子截面。
• 当 N_TC = 2 时，允许的超荷范围为 2.26 ≤ Y_Q ≤ 2.53；当 N_TC = 3 时，为 2.17 ≤ Y_Q ≤ 2.31。
• 技术胶球的衰变宽度估计为寿命极短（<10⁻²⁸ s），可确保不会显著破坏大爆炸核合成。
• 该模型预测了一个标志性信号：η_Q → ZH 衰变，其分支比小于双光子衰变宽度的 10%。
• Q 场的 Yukawa 耦合使 Higgs 四次耦合在 ~100 TeV 以上变为负值，表明电弱真空不稳定。
• 一个隐藏的重标量单态可通过向 Higgs 四次耦合提供正的阈值修正，稳定电弱真空。