[논문 리뷰] SU(2) x SU(2) x U(1) Interpretation on the 750 GeV Diphoton Excess

Jing Ren, Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 SU(2)×SU(2)×U(1) (G221) 모형에 의해 설명될 수 있음을 제안한다. 여기서 750 GeV 스칼라 공명은 오른쪽 스칼라 SU(2) 대칭에 대한 삼중항 또는 이중항 스칼라의 중성 성분으로 기인한다. 이중광자 붕괴 너비는 주로 경량 W′ 보손의 루프 기여에 의해 결정되며, 글루온 융합 생성 메커니즘은 SO(10) GUT 완성에서 경량의 색깔을 가진 스칼라 또는 벡터라이크 페르미온이 제공한다. 이 경우 W′ 보손과 이중적으로 양전하를 가진 스칼라의 간섭은 상쇄된다.

ABSTRACT

We propose that the SU(2) x SU(2) x U(1) (aka G221) models could provide us a 750 GeV scalar resonance that may account for the diphoton excess observed at the LHC while satisfying present collider constraints. The neutral component of the $SU(2)_R$ scalar multiplet can be identified as the 750 GeV scalar. In the lepto-phobic and fermio-phobic G221 models the new charged gauge boson W' could be light, and we find that the diphoton decay width could be dominated by the loop contribution from the $W'$. To initiate gluon fusion production, it is necessary to extend the G221 symmetry to the Pati-Salam and SO(10) symmetry. We investigate the possibilities that the light colored scalars or vectorlike fermions survive in the SO(10) theory and provide large gluon fusion rate for the diphoton signature. It is possible to test the G221 interpretation by direct searches of W' using the multi-gauge boson production channel at the Run 2 LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 게이지군을 최소한으로 확장한 SU(2)×SU(2)×U(1) (G221) 모형을 통해 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명하기.
• 750 GeV 스칼라 공명이 오른쪽 SU(2) 섹터의 스칼라 다중항의 중성 성분임을 규명하기.
• 경량 W′ 보손과 이중적으로 양전하를 가진 스칼라의 루프 기여가 큰 이중광자 너비를 어떻게 생성하는지 탐구하기.
• G221를 Pati-Salam 및 SO(10) GUT 모형으로 확장하여, 경량의 색깔을 가진 스칼라 또는 벡터라이크 페르미온을 도입함으로써 글루온 융합 생성 메커니즘을 가능하게 하기.
• Run 2 LHC에서 다중 게이지 보손 생성 채널을 통한 W′ 탐색을 통해 모형을 직접 검증하기.

제안 방법

• 대칭 붕괴 패턴 SU(2)L×SU(2)R×U(1)B-L → SU(2)L×U(1)Y → U(1)em 하에서 G221 모형을 분석하며, 스칼라 삼중항 Δ∼(1,3,1) 또는 이중항 Δ∼(1,2,1/2)이 힉스 메커니즘을 제공한다.
• 이중광자 붕괴 너비는 W′ 보손과 전하 스칼라를 포함하는 루프 다이어그램을 통해 계산되며, 표준 루프 함수 A1(τ), A1/2(τ), A0(τ)를 사용하고 τ = 4m²/mS²이다.
• 글루온 융합 생성은 SO(10) GUT 프레임워크 내에서 새로운 색깔을 가진 입자—경량의 색깔 스칼라(삼중항 또는 팔중항) 또는 16+10 표현에서의 벡터라이크 페르미온—의 루프에 의해 매개된다.
• 모형은 특히 W′ 및 이국적인 전하 스칼라에 대한 충돌기 검색 결과로 제약을 받으며, 이중광자 신호 강도를 만족시키기 위해 경량의 W′가 필요하다.
• W′ 및 δ++의 간섭이 이중광자 진폭에서 어느 정도 지배적인지 평가하기 위해 간섭 효과를 분석한다.
• 다중 게이지 보손 생성과 다중 렙톤 최종 상태를 포함한 현상학적 서명을 유도한다. 이는 W′ 탐지에 있어 결정적인 증거가 될 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 W′ 보손과 중성 스칼라 공명을 가진 SU(2)×SU(2)×U(1) 모형 프레임워크 내에서 750 GeV 이중광자 초과 현상이 설명될 수 있는가?
• RQ2 W′ 및 이중적으로 양전하를 가진 스칼라의 역할은 무엇이며, 이들의 기여는 어떻게 간섭하는가?
• RQ3 G221 모형 내에서 색깔을 가진 입자가 존재하지 않을 경우, 750 GeV 스칼라의 글루온 융합 생성은 어떻게 달성되는가?
• RQ4 SO(10) GUT에서 어떤 종류의 경량 색깔 스칼라 또는 벡터라이크 페르미온이 관측된 이중광자 신호 강도를 충족시키기 위해 충분한 글루온 융합 확률을 제공하는가?
• RQ5 G221 해석은 Run 2 LHC에서 다중 게이지 보손 생성 채널을 통한 W′ 직접 탐색을 통해 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 750 GeV 스칼라의 이중광자 붕괴 너비는 특히 W′ 보손의 질량가 ~500 GeV 이하일 경우 루프 기여에 의해 지배된다.
• W′ 및 δ++의 간섭은 이중광자 너비를 감소시키며, δ++ 질량이 mS/2 근처가 아닐 경우 W′가 주요 기여자로 작용한다.
• 경량의 색깔 스칼라—특히 색깔 팔중항—은 관측된 신호 강도를 충족시키기 위해 충분한 글루온 융합 생성률을 제공할 수 있으며, 색깔 삼중항은 렙톤-쿼크 검색 결과로 배제될 수 있다.
• 16+10 표현에서의 벡터라이크 페르미온도 필요한 글루온 융합 생성률을 생성할 수 있지만, 현재 LHC 제약 조건에 의해 더 엄격하게 제약을 받는다.
• 경량의 W′는 렙톤-비반응성 및 페르미온-비반응성 G221 모형의 핵심 예측이며, 다중 게이지 보손 생성과 다중 렙톤 최종 상태는 Run 2 LHC에서 직접 검증하기 위한 결정적인 서명이 된다.
• W′ 및/또는 이국적인 전하 스칼라가 경량일 경우 현재 충돌기 제약 조건 하에서도 모형은 타당성을 유지하며, SO(10) GUT를 통한 UV 완성은 글루온 융합를 매개하는 경량의 색깔 상태를 허용한다.