[论文解读] Radion Candidate for the LHC Diphoton Resonance

Debjyoti Bardhan, Disha Bhatia+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用 71

一句话总结

本文提出，LHC在约750 GeV处观测到的二胶子共振可能是一个在翘曲额外维模型中的轴子，通过Goldberger-Wise机制实现稳定。通过在红外膜上引入单代矢量型费米子，该模型在抑制二胶子衰变率的同时实现了所需的较大二胶子宽度，成功解释了观测到的信号，且未与其它通道的无信号结果冲突。

ABSTRACT

The recent observation of a modest excess in diphoton final states at the LHC, by both the ATLAS and CMS Collaborations, has sparked off the expected race among theorists to find the right explanation for this proto-resonance, assuming that the signal will survive and not prove to be yet another statistical fluctuation. We carry out a general analysis of this `signal' in the case of a scalar which couples only to pairs of gluons (for production) and photons (for diphoton decay modes), and establish that an explanation of the observed resonance, taken together with the null results of new physics searches in all the other channels, requires a scalar with rather exotic behaviour. We then demonstrate that a fairly simple-minded extension of the minimal Randall-Sundrum model can yield a radion candidate which might reproduce this exotic behaviour.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS在750 GeV处观测到的作为标准模型之外标量共振的二胶子共振。
• 通过抑制夸克和规范玻色子的耦合，使观测到的二胶子信号与其它通道（如二胶子、WW、ZZ）无信号结果相协调。
• 构建一个最小且可行的Randall-Sundrum模型扩展，重现该共振态的观测性质，包括宽度和分支比。
• 证明轴子态与希格斯玻色子混合，并通过Goldberger-Wise机制稳定，可满足所有实验约束。
• 表明在红外膜上引入矢量型费米子可自然增强二胶子宽度，同时将二胶子衰变率控制在允许范围内。

提出的方法

• 采用具有翘曲额外维和通过Goldberger-Wise机制实现模稳定性的最小Randall-Sundrum模型。
• 引入一个与标准模型希格斯玻色子混合的轴子态，通过调节混合参数，使较重的本征态在膜上与标准模型场解耦。
• 利用夸克和矢量型费米子的单圈贡献，计算轴子对胶子（𝑐𝑔）和光子（𝑐𝛾）的有效耦合。
• 使用β函数系数（𝑏₁, 𝑏₂, 𝑏₃）确定耦合常数的跑动，通过调整费米子代数以实现所需的𝑐𝛾/𝑐𝑔比值。
• 通过K因子（约2）引入QCD修正，以改进二胶子末态的产生截面估算。
• 利用希格斯信号强度（如𝜇𝑊𝑊）和二胶子速率限制，约束模型，并在𝑐𝛾–𝑐𝑔平面上映射出允许区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在翘曲额外维模型中，轴子能否解释750 GeV处的二胶子共振，同时与LHC其它通道的无信号结果一致？
• RQ2 能够产生该共振态所需的大二胶子宽度和小二胶子速率的最小标准模型扩展是什么？
• RQ3 在红外膜上的矢量型费米子如何影响轴子对胶子和光子的耦合？
• RQ4 轴子的耦合在多大程度上可被调节，以同时满足二胶子信号强度和二胶子速率约束？
• RQ5 引入矢量型费米子是否会与125 GeV处的希格斯信号强度测量结果产生冲突？

主要发现

• 在红外膜上引入一整代矢量型费米子，增加了有效味数，使𝑐𝛾/𝑐𝑔比值移动至|𝑐𝛾 ≈ 0.216 𝑐𝑔|，位于二胶子信号允许区域内。
• SM + 矢量型费米子（SM + VF）模型在轴子真空期望值Λ𝜑 > 700 GeV时，成功产生所需的二胶子截面，如图2所示。
• 仅SM的场景无法产生足够的二胶子事例，且在考虑信号强度限制之前，已因二胶子速率限制而被排除。
• SM + VF场景受希格斯信号强度（𝜇𝑊𝑊）的约束小于仅SM的情况，图2中的粉红色区域表示可行的参数空间。
• 该模型避免了二胶子过量，因为轴子与夸克的耦合较弱，且矢量型费米子被限制在红外膜上，从而抑制了树图级的二胶子产生。
• 由于费米子圈图贡献增强了二胶子衰变，轴子的宽度自然约为其质量的6%（≈45 GeV），与观测到的共振宽度一致。