[论文解读] LHC diphoton excess from colorful resonances

Jia Liu, Xiao-Ping Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 63被引用 54

一句话总结

该论文提出了一种基于 $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$ 自发对称性自发性自发性破缺至标准模型 $\mathrm{SU}(3)_C$ 的色子模型，其中一种重的带色矢量共振态 $G'$ 通过级联衰变衰变为较轻的带色标量 $S$，后者再通过费米子圈衰变为两个光子。由此产生的二光子不变质量分布在约 750 GeV 处表现出一个动力学边缘，解释了在 13 TeV 能量下 LHC 观测到的二光子过量现象，同时满足二胶子、$t\bar{t}$ 和喷注+光子的约束条件，并预测了包含两个共振态和一个硬喷注的独特事例末态。

ABSTRACT

Motivated by the possible diphoton excess around $750~ m{GeV}$ observed by ATLAS and CMS at $13~ m{TeV}$, we consider a coloron model from $ m{SU}(3)_1 imes m{SU}(3)_2$ spontaneously breaking to the Standard Model $ m{SU}(3)_C$. A colored massive vector boson is resonantly produced by $q \bar q $ in proton collision, followed by a colored scalar cascade decay. This process gives two photons and one jet in the final states. And the kinetic edge of the two photons can be an interpretation of the diphoton excess, while satisfying the dijet, $ m{t}\bar{t}$, jet+photon resonance constraints. In this model, due to the large mass of vector resonance, the parton luminosity function ratio between $13~ m{TeV}$ and $8~ m{TeV}$ can be quite large. Therefore, the diphoton excess has not been observed at $8~ m{TeV}$ search. On the other hand, having all the new particles color-charged around $ m{TeV}$, this model predicts new signals at the LHC, which can be validated soon.

研究动机与目标

• 通过一种标准模型之外的新物理机制，解释 LHC 运行 2 阶段（13 TeV）观测到的 750 GeV 二光子过量现象。
• 提供一种替代解释，避免引入单态标量，而是利用在 $\mathrm{SU}(3)_C$ 下带色的粒子。
• 构建一个基于 $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2 \to \mathrm{SU}(3)_C$ 的可重整化模型，通过自发对称性破缺减少自由参数。
• 确保该模型与 8 TeV 和 13 TeV 下二胶子、$t\bar{t}$、喷注+光子以及二光子共振态搜索的现有 LHC 约束一致。
• 预测独特的事件末态特征——具体而言，包括一个高 $p_T$ 的领先喷注和一个次级光子（$p_T \lesssim 200$ GeV）——以区别于标量共振态模型。

提出的方法

• 该模型基于 $\mathrm{SU}(3)_1 \times \mathrm{SU}(3)_2$ 规范群，通过一个双fundamental 标量 $\Phi$ 实现自发对称性破缺，其真空期望值为 $\langle\Phi\rangle = v_\Phi I / \sqrt{6}$。
• 质量较大的矢量共振态 $G'$ 作为组合 $-g_1 G_{1\mu}^a + g_2 G_{2\mu}^a$ 出现，而其余组合保持无质量。
• 一个带色的标量 $S$（在 $\mathrm{SU}(3)_C$ 下为八重态）通过重的矢量型费米子 $\Psi$ 的圈图与光子耦合，从而实现衰变 $S \to \gamma\gamma$。
• 在质子-质子碰撞中，$G'$ 通过 $q\bar{q} \to G'$ 产生，随后经历级联衰变 $G' \to S + g$，其中 $S \to \gamma\gamma$，最终末态包含两个光子和一个喷注。
• 由于级联衰变的动力学，两个光子的不变质量在 $m_{\gamma\gamma} \approx 750$ GeV 处表现出一个动力学边缘，模拟出一个共振态。
• 通过部分子发光度函数对该模型进行 LHC 约束测试，显示 $G'$ 质量（约 1.9 TeV）抑制了 8 TeV 下的产生截面，使其在该能量下逃逸了二光子共振搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 13 TeV 下观测到的 750 GeV 二光子过量现象是否可以通过带色矢量共振态的级联衰变而非直接标量衰变来解释？
• RQ2 是否可能在仅引入最少的新场和参数的前提下，构建一个可重整化的、基于规范场论的模型来实现该机制？
• RQ3 由于 $G'$ 共振态质量较大，其在 13 TeV 与 8 TeV 下的产生率之比如何变化？这是否能解释为何在 8 TeV 下未观测到该信号？
• RQ4 最终末态的显著动量学特征（如 $p_T$ 分布、不变质量）是什么，可将其与简单的 750 GeV 标量共振态区分开来？
• RQ5 该模型的预测是否与 8 TeV 和 13 TeV 下二胶子、$t\bar{t}$、喷注+光子以及二光子共振态搜索的现有 LHC 约束一致？

主要发现

• 由于级联衰变 $G' \to S + g \to \gamma\gamma + g$，二光子不变质量分布呈现出约 750 GeV 的动力学边缘，为观测到的过量现象提供了非共振态解释。
• 该模型预测存在一个高 $p_T$ 的领先喷注和一个次级光子（$p_T \lesssim 200$ GeV），这是标量共振态模型中所不具备的独特信号。
• $G'$ 共振态质量约为 1.9 TeV，导致 13 TeV 与 8 TeV 下部分子发光度函数之比显著增大，解释了为何该信号在 8 TeV 下未被观测到。
• 该模型满足所有当前 LHC 约束：包括 8 TeV 和 13 TeV 下的二胶子、$t\bar{t}$、喷注+光子以及二光子共振态搜索。
• 该模型预测存在两个新共振态：一个来自 $S$ 的喷注+光子共振态，以及一个来自 $G'$ 的喷注+两光子共振态，为实验验证提供了清晰的信号。
• $m_{j_1\gamma_1\gamma_2}$ 和 $m_{j_1\gamma_1}$ 的动量学分布分别在 $m_{G'} \approx 1900$ GeV 和 $m_S \approx 1695$ GeV 处显示出清晰的共振峰，证实了新物理的存在。