[论文解读] Diphoton Excess in Consistent Supersymmetric SU(5) Models with Vector-like Particles

Bhaskar Dutta, Yu Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 127被引用 35

一句话总结

该论文提出了一种具有矢量样态多重态的超对称SU(5)大统一模型，以解释2015年LHC观测到的750 GeV双光子共振。通过引入(5, 5̄)和(10, 10̄)表示中的矢量样态费米子，该模型生成一个标量单态，其通过圈图过程衰变为双光子，从而在满足二胶球约束的同时，容纳了约45 GeV的宽共振宽度，并保持了规范耦合统一。

ABSTRACT

We consider the diphoton resonance at the 13 TeV LHC in the context of SU(5) grand unification. A leading candidate to explain this resonance is a standard model singlet scalar decaying to a pair of photon by means of vector-like fermionic loops. We demonstrate the effect of the vector-like multiplets (5, 5 bar) and (10, 10 bar) on the evolution of the gauge couplings and perturbatively evaluate the weak scale values of the new couplings and masses run down from the unification scale. We use these masses and couplings to explain the diphoton resonance after considering the new dijet constraints. We show how to accommodate the larger decay width of the resonance particle, which seems to be preferred by the experimental data. In addition, we consider new couplings relating various components of (5, 5 bar) and (10, 10 bar) in the context of the orbifold GUTs, where the resonance scalar can be a part of the new vector-like lepton doublets. We also calculate the Higgs mass and proton decay rate to positron and neutral pion in the context of SU(5) grand unification, including effects of the new vector-like multiplets.

研究动机与目标

• 使用一致的超对称SU(5)大统一框架解释LHC在13 TeV能区观测到的750 GeV双光子共振。
• 引入(5, 5̄)和(10, 10̄)表示的矢量样态多重态，以保持规范耦合统一和异常消除。
• 在满足LHC严格二胶球约束的前提下，调和观测到的共振宽度（约45 GeV）。
• 评估新矢量样态粒子对SU(5)大统一理论中希格斯质量与质子衰变速率的影响。
• 开发一种统计方法，用于评估双光子散射中不同共振宽度与质量间隙情景的数据偏好。

提出的方法

• 使用跑动方程将规范耦合从大统一尺度演化至弱尺度，包括矢量样态多重态的贡献。
• 计算通过矢量样态费米子圈图过程的SM单态标量的双光子衰变宽度，匹配观测到的约3–13 fb的截面。
• 引入涉及单态费米子和希格斯费米子的额外衰变道，以实现约45 GeV的共振宽度，同时不违反单胶球或二胶球约束。
• 在轨道大统一理论中构建新的相互作用项，其中矢量样态轻子双重态（来自(5, 5̄)或(10, 10̄)）的中性分量介导双光子共振，同时保持R-宇称。
• 应用统计框架比较数据对不同共振宽度与质量间隙情景的偏好，考虑窄共振附近分箱效应的影响。
• 计算质子衰变速率p → e⁺π⁰，显示由于矢量样态粒子的新贡献，其速率被增强，可能在Hyper-Kamiokande中可观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有矢量样态多重态的超对称SU(5)大统一理论能否解释2015年LHC观测到的750 GeV双光子共振？
• RQ2 如何在满足LHC严格二胶球约束的前提下，实现约45 GeV的宽共振宽度？
• RQ3 矢量样态多重态对规范耦合统一和电弱尺度希格斯质量有何影响？
• RQ4 在轨道大统一理论设置中，该共振能否由矢量样态轻子双重态的一个分量介导而不破坏R-宇称？
• RQ5 如何在双光子散射中量化数据对不同共振宽度与质量间隙构型的统计偏好？

主要发现

• 该模型通过(5, 5̄)和(10, 10̄)多重态中矢量样态费米子圈图过程，成功解释了750 GeV标量单态衰变为双光子的过量现象。
• 通过引入衰变为单态费米子、后者再衰变为希格斯费米子的衰变道，实现了约45 GeV的共振宽度，从而避开单胶球和二胶球约束。
• 包含3个(5, 5̄)和1个(10, 10̄)多重态的配置，可实现规范耦合的统一，并自然解释该共振现象。
• 由于矢量样态粒子的新贡献，质子衰变过程p → e⁺π⁰的衰变速率被增强，可能在Hyper-Kamiokande中达到可观测水平。
• 开发了一种统计方法，用于比较数据对不同共振宽度与质量间隙情景的偏好，解决了窄共振附近分箱效应带来的挑战。
• 由于10 5̄ 5̄相互作用中具有反对称耦合结构，该模型可自然实现通过一个L₅双重态与MSSM轻子双重态混合而产生的两个相邻共振。