[논문 리뷰] Revisiting Scalar Quark Hidden Sector in Light of 750-GeV Diphoton Resonance

Cheng-Wei Chiang, Masahiro Ibe외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 강한 동역학에 의해 생성된 복합 상태로서 750 GeV에서의 CP-짝성 단일 스칼라 리조낸스가 나타나는 스칼라 쿼크 은둔 세트 모델을 재검토한다. 이 리조낸스는 전하를 가진 스칼라 쿼크 루프를 통한 고리 유도 쌍극자 상호작용을 통해 ATLAS 및 CMS의 이중 광자 초과를 설명한다. 이 모델은 역학적 스케일과 리조낸스 질량 간의 분리 불가능성으로 인해 자연스럽게 추가 서명—이중 전하 리조낸스, 다중 광자, 제트, 렙톤—을 예측하며, 또한 안정된 바리온 스칼라 상태를 통해 타당한 암흑물질 후보를 제공한다.

ABSTRACT

In this short note, we revisit the model of a CP-even singlet scalar resonance proposed in arXiv:1507.02483, where the resonance appears as the lightest composite state made of scalar quarks participating in hidden strong dynamics. We show that the model can consistently explain the excess of diphoton events with an invariant mass around 750GeV reported by both the ATLAS and CMS experiments. We also discuss the nature of the charged composite states in the TeV range which accompany to the neutral scalar. Due to inseparability of the dynamical scale and the mass of the resonance, the model also predicts signatures associated with the hidden dynamics such as leptons, jets along with multiple photons at future collider experiments. We also associate the TeV-scale dynamics behind the resonance with an explanation of dark matter.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중 광자 리조낸스 초과를 설명하기 위해.
• 이전에 제안된 스칼라 쿼크 은둔 세트 모델이 이중 광자 신호를 일관되게 설명하면서도 8 TeV 리조낸스 탐색 제약 조건을 회피할 수 있음을 보여주기 위해.
• 역학적 스케일과 복합 리조낸스 질량 간의 분리 불가능성으로 인해 발생하는 새로운 콜라이더 서명을 탐색하기 위해.
• 이와 유사한 테바 스케일의 은둔 동역학이 안정된 바리온 스칼라 상태를 통해 타당한 암흑물질 후보를 제공할 수 있는지 연결하기 위해.

제안 방법

• 원래 2 TeV 이중 보존 리조낸스를 위한 것으로 제안된 모델을 참조하여 Chiang:2015lqa, 750 GeV 신호를 설명하기 위해 역학적 스케일을 낮춘다.
• 스칼라 리조낸스 $S$ 가 글루온, $W$'s, $B$'s 를 통해 SM 게이지 보손과 상호작용하는 것을 기술하기 위해 억제 스케일 $\Lambda_1$, $\Lambda_2$, $\Lambda_3$ 를 가진 효과적 라그랑지안을 사용한다.
• MSTW2008 파arton 분포 함수와 좁은 폭 근사법을 사용하여 글루온 융합 생성 단면적을 계산한다.
• 역동적 스케일에 가까운 리조낸스 질량에서 전하를 가진 스칼라 쿼크를 포함하는 고리 수준의 상호작용을 통해 이중 광자 분해비를 유도한다.
• 은둔 세트 내에서 저에너지에서 쿼크 유사 동역학이 나타나면서 다중 광자, 제트, 렙톤과 같은 추가 서명을 예측한다.
• 안정된 중성 바리온 스칼라 상태 $B \propto QQQQQ$ 를 암흑물질 후보로 식별하며, 유닛성 포화 형식 인자로 인해 고정된 잔류 밀도와 직접 탐지 단면적을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중 광자 리조낸스 초과는 강한 동역학을 가진 스칼라 쿼크 은둔 세트에서 유래한 복합 스칼라 리조낸스로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 고질량 리조낸스에 대한 8 TeV LHC 탐색 제약 조건은 이 모델의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모델에서 역학적 스케일과 리조낸스 질량 간의 분리 불가능성으로 인해 어떤 새로운 콜라이더 서명이 발생하는가?
• RQ4 750 GeV 리조낸스를 일으키는 동일한 테바 스케일의 동역학이 타당한 암흑물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ5 이 모델에서 스칼라 암흑물질 후보의 직접 탐지 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 모델은 ATLAS의 경우 $6.0^{+2.4}_{-2.0}$ fb, CMS의 경우 $5.6^{+2.4}_{-2.4}$ fb의 생산 단면적과 분해비의 곱으로 750 GeV 이중 광자 초과를 설명하며, 관측된 데이터와 일치한다.
• 리조낸스 질량 $M_S \approx 750$ GeV 는 리조낸스가 페세우드-골드스톤 보손이 아니므로 역학적 스케일 $\Lambda_{\rm dyn}$ 과 가까운데, 이는 상호작용 강도 증가와 새로운 서명을 초래한다.
• 은둔 세트 내에서 저에너지에서 파arton이 나타나면서 향후 콜라이더에서 다중 광자, 제트, 렙톤과 같은 추가 서명을 예측한다.
• 중성 750 GeV 리조낸스와 함께 이중 전하 복합 리조낸스가 예측되며, 이는 독특한 실험적 서명을 제공한다.
• 질량 $\sim 5$ TeV인 안정된 중성 바리온 스칼라 상태 $B \propto QQQQQ$ 는 관측 결과와 일치하는 열역학적 잔류 밀도를 가진 타당한 암흑물질 후보로 식별된다. 이는 형식 인자가 약간 1 이하일 경우에 해당된다.
• 스핀-독립 직접 탐지 단면적은 $\sigma_{SI} \simeq 5.4 \times 10^{-46}$ cm$^2 \times \lambda_B^2 (5\,{\rm TeV}/M_B)^2$ 로 추정되며, 제안된 LZ 실험에서 측정 가능하다.