[论文解读] Phenomenology of a 750 GeV Singlet

Adam Falkowski, Oren Slone+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用 12

一句话总结

该论文提出，ATLAS和CMS实验观测到的750 GeV二光子衰变过剩现象，可能由一个与标准模型希格斯玻色子弱混合的单态标量玻色子解释，该玻色子通过费米子圈图衰变至光子和胶子，其耦合至矢量型夸克。尽管二玻色子和希格斯耦合测量对混合角的限制为sinα ≲ 0.1，但窄宽度共振态仍具可行性，未来搜索中可能观测到二胶子喷注及轻子喷注信号。

ABSTRACT

We study the recently reported excess in the diphoton resonance search by ATLAS and CMS. We investigate the available parameter space in the combined run-1 and run-2 diphoton data and study its interpretation in terms of a singlet scalar field which possibly mixes with the Standard Model Higgs boson. We show that the mixing angle is already strongly constrained by high-mass Higgs searches in the diboson channel, and by Higgs coupling measurements. While a broad resonance is slightly favored, we argue that the signal is consistent with a narrow-width singlet which couples to colored and electromagnetically-charged vector-like fermions. Dijet signals are predicted and may be visible in upcoming analyses. Allowing for additional decay modes could explain a broader resonance, however, we show that monojet searches disfavor a large invisible width. Finally, we comment on the possible relation of this scenario to the naturalness problem.

研究动机与目标

• 解释LHC运行1和运行2数据中观测到的750 GeV二光子共振态过剩现象为一种新的标量单态。
• 评估一个与SM希格斯玻色子混合的单态标量的可行性，考虑来自高能标希格斯玻色子搜索和希格斯耦合测量的约束。
• 探讨该共振态是否能由窄宽度解释，或是否需要宽宽度，及其对隐形或可见衰变模式的含义。
• 探讨该情形与标准模型中层次问题和自然性之间的潜在联系。
• 预测可观测的末态信号，如二胶子喷注和轻子喷注，这些信号可在未来的LHC分析中确认单态解释。

提出的方法

• 构建一个最小有效场论模型，其中单态标量S与携带色荷和电磁荷的矢量型夸克耦合。
• 计算矢量型夸克在圈图中对有效Sγγ和Sgg顶点的贡献，从而实现LHC中二光子和胶子融合的产生。
• 分析运行1和运行2的二光子数据，提取共振态质量、宽度和截面的最佳拟合值。
• 引入单态S与SM希格斯玻色子h之间的混合角α，并评估来自二玻色子衰变道和希格斯信号强度测量的约束。
• 评估单喷注搜索对隐形衰变宽度的限制，表明大隐形宽度被排除。
• 通过检查矢量型夸克与单态是否能通过圈修正中的抵消条件来抵消希格斯质量中的二次发散，评估自然性可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个750 GeV的单态标量，通过光子和胶子的圈诱导耦合，能否解释ATLAS和CMS数据中观测到的二光子过剩？
• RQ2 现有高能标希格斯玻色子和希格斯耦合测量在多大程度上约束了单态与SM希格斯玻色子之间的混合角？
• RQ3 宽共振宽度是否与当前实验约束一致，特别是来自单喷注和二喷注搜索的约束？
• RQ4 该模型预测的额外衰变道（如二胶子喷注或轻子喷注）是什么，这些信号能否为单态解释提供模型无关的验证？
• RQ5 矢量型夸克与单态标量是否能通过抵消希格斯质量中的二次发散，从而缓解自然性问题？

主要发现

• 二光子过剩与一个通过光子和胶子的圈诱导耦合耦合至带色和带电磁荷的矢量型费米子的窄宽度单态标量一致。
• 来自二玻色子衰变道搜索和希格斯耦合测量的约束表明，单态与SM希格斯玻色子之间的混合角被限制为sinα ≲ 0.1，排除了大混合的可能性。
• 数据略微更偏好宽宽度共振态，但窄宽度仍具可行性，且未被当前数据排除。
• 单喷注搜索强烈排除了大隐形宽度，使得宽宽度无法通过隐形衰变解释。
• 预测了二胶子喷注信号，未来LHC分析中可能被观测到，为单态假说提供模型无关的检验。
• 在允许的参数空间内，矢量型夸克与单态标量可共同贡献于抵消希格斯质量中的二次发散，暗示其与自然性问题可能存在联系。