[논문 리뷰] Diphoton excess at the LHC Run 2 and its implications for a new heavy gauge boson

Kunio Kaneta, Subeom Kang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 129인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이, 게이지화된 B-L 대칭을 통해 테바르스케일의 Z' 게이지 보손의 존재를 암시하는 새로운 스칼라 보손일 수 있다고 제안한다. 저자들은 이 모델에서 게이지 커플링 통합이 LHC 런 2의 해상도에 도달할 수 있는 질량과 커플링을 갖는 Z'를 예측함으로써, 스칼라와 함께 Z'의 탐지 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

There is a rapidly growing interest in the diphoton excess around 750 GeV reported by both ATLAS and CMS collaborations during the LHC Run 2 experiments. One of the most natural explanations of this excess could be a new scalar boson with exotic colored particles. In this setup, it is legitimate to ask what is the role of this new scalar in nature. A heavy neutral gauge boson ($Z'$) is one of the traditional targets of the discovery at the collider experiments with numerous motivations. While Landau-Yang theorem dictates the newly reported diphoton excess cannot be this spin-1 gauge boson, there is a strong correlation of a new heavy gauge boson and a new scalar boson which provides a mass to the gauge boson being at the same mass scale. In this paper, we point out a simple fact a new scalar of 750 GeV would suggest an existence of a TeV scale $Z'$ gauge boson that might be within the reach of the LHC Run 2 experiments. We take a scenario of the well-motivated and popular gauged $B-L$ symmetry and require the gauge coupling unification to predict the mass and other properties of the $Z'$ and illustrate the discovery of the $Z'$ is likely to occur during the LHC experiments.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대해 750 GeV 이중광자 초과 현상의 의미를 탐구하기 위해.
• 750 GeV에서 새로운 스칼라 보손이 무거운 Z' 게이지 보손의 존재를 암시할 수 있는지 조사하기 위해.
• 잘 정당화된 B-L 대칭 모델에서 게이지 커플링 통합과의 일관성을 검토하기 위해.
• 통합 조건을 충족시키기 위해 스칼라의 성질에 기반하여 Z' 보손의 질량과 커플링을 예측하기 위해.

제안 방법

• 게이지화된 B-L 대칭을 가정하여, 해당하는 Z' 게이지 보손을 갖는 새로운 U(1)_{B-L} 게이지 군을 도입한다.
• 750 GeV의 스칼라 보손은 B-L 대칭을 깨고 Z' 보손에 질량을 주는 힉스 유사 상태로 도입된다.
• 모델은 Z' 질량과 게이지 커플링을 제약하기 위해 게이지 커플링 통합을 요구하며, 이는 재규격화군 방정식을 사용한다.
• 스칼라의 이중광자 붕괴 확률은 전하를 띤 이국적인 색이 있는 입자들에 의한 루프 다이어그램을 통해 계산된다.
• LHC에서의 탐지 가능성 평가를 위해 Z'의 생성 단면적과 붕괴 분포비를 평가한다.
• 예측된 붕괴율을 ATLAS 및 CMS 데이터와 비교하여 모델이 관측된 이중광자 초과 현상과 일치하는지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 초과 현상은 동시에 테바르스케일의 Z' 보손을 암시하는 새로운 스칼라 보손으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 B-L 대칭 모델에서 게이지 커플링 통합은 Z' 보손의 질량과 커플링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모델에서 예측하는 Z' 보손은 LHC 런 2 실험의 탐지 범위 내에 있는가?
• RQ4 이국적인 색이 있는 입자들은 750 GeV 스칼라의 이중광자 붕괴에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 랜다우-양 정리가 스칼라 보손의 스핀-1 성질에 대해 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 750 GeV 이중광자 초과 현상은 LHC 런 2 실험에서 탐지 가능한 테바르스케일의 Z' 게이지 보손의 존재를 암시한다.
• B-L 모델에서 게이지 커플링 통합은 약 1.5–2 TeV 정도의 Z' 질량을 예측하며, 이는 스칼라 질량 스케일과 일치한다.
• Z' 보손은 쿼크와 렙톤과의 상당한 커플링을 갖는다. 이는 Drell-Yan 및 벡터 보손 융합 과정에서 검출 가능한 신호를 가능하게 한다.
• 스칼라 보손의 이중광자 붕괴 확률은 이국적인 색이 있는 입자들에 의한 루프에 의해 매개되며, LHC 제약 조건을 피하기 위해 충분히 무거워야 한다.
• 모델은 통합 루멘리노스티가 30–100 fb⁻¹일 때 LHC에서 Z' 보손이 이중 렙톤 또는 이중 제트로 붕괴하는 방식으로 발견될 수 있다고 예측한다.
• 스칼라(스핀-0)가 이중광자 신호의 원인이 되며, Z'(스핀-1)가 원인이 아니므로, 모델은 랑다우-양 정리와의 일관성을 유지한다.