[论文解读] The 750 GeV diphoton excess in a two Higgs doublet model and a singlet scalar model, with vector-like fermions, unitarity constraints, and dark matter implications

Shrihari Gopalakrishna, Tuhin Subhra Mukherjee|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用 12

一句话总结

本文通過兩種新物理模型研究了大型強子對撞機（LHC）中750 GeV雙光子衰變過量現象：一種是在對齊極限下的兩Higgs雙重態模型（2HDM），另一種是具有矢量樣式費米子（VLFs）的單態標量模型。研究結果表明，VLFs 可以產生實現雙光子衰變率所需的有效 $φ\gamma\gamma$ 和 $\phi gg$ 耦合，同時滿足幺正性、LHC 禁戒條件以及暗物質剩餘密度要求。在單態模型中，若存在穩定且電中性的 VLF 作為暗物質，則可實現正確的剩餘密度與與實驗相符的直接探測截面。

ABSTRACT

We explore the possibility of a beyond the standard model scalar ($ϕ$) as a possible explanation of the diphoton resonance at 750~GeV invariant mass reported by the ATLAS and CMS collaborations at the large hadron collider (LHC). We first present in a model-independent way the scalar-gluon-gluon and scalar-photon-photon effective couplings needed for obtaining the required diphoton cross-section at the LHC for different total widths. We investigate here two new-physics possibilities that can generate these effective couplings, namely, (i) the 2-Higgs-doublet model (2HDM) in the alignment limit, and (ii) a singlet scalar, with vector-like fermions added and playing a crucial role in generating the effective couplings. We present the regions of model parameter space which are allowed by direct LHC and perturbative unitarity constraints, and that give the required diphoton cross-section at the LHC for various total widths. In the singlet case, we include the possibility that $ϕ$ decays into a pair of neutral stable vector-like fermions that could be dark matter. We find regions of parameter-space of the singlet model that gives the required diphoton rate, have the correct dark matter relic-density, have dark matter direct-detection rates compatible with current direct-detection experiments, and satisfy LHC bounds and perturbative unitarity constraints.

研究动机与目标

• 利用模型無關的有效耦合，解釋ATLAS與CMS實驗觀測到的750 GeV雙光子共振現象。
• 研究在2HDM與單態標量模型中，矢量樣式費米子（VLFs）是否能產生實現所需 $\phi\gamma\gamma$ 與 $\phi gg$ 耦合的機制。
• 識別滿足微擾幺正性、LHC 直接搜尋限制與不同總寬度下正確雙光子截面的參數區域。
• 探討標量 $\phi$ 衰變為一對穩定 VLFs 的可能性，這些 VLFs 可作為具有正確剩餘密度與直接探測信號的暗物質。

提出的方法

• 對不同總寬度下實現觀測雙光子截面所需的模型無關有效 $\phi\gamma\gamma$ 與 $\phi gg$ 耦合進行分析。
• 在2HDM（類型I、II、X）與具有VLFs的單態標量模型中，計算 $\phi\gamma\gamma$ 與 $\phi gg$ 耦合的單圈圖貢獻。
• 納入由VLFs引發的耦合，即使在Higgs混合角很小的情況下，也能在可見與隱藏扇區之間傳遞相互作用。
• 透過Breit-Wigner共鳴因子與 $\phi$-介導的 $\psi$-核子散射，計算暗物質通過 $\psi\psi \to \text{SM}$ 湮滅過程的剩餘密度。
• 應用微擾幺正性約束，限制為實現寬共振態所需的大耦合常數。
• 與LHC限制進行比較，包括 $\phi \to hh$、$\phi \to WW$，以及2HDM中的 $\phi \to $ 帶電Higgs衰變模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2HDM或單態標量模型中，矢量樣式費米子是否能產生解釋750 GeV雙光子過量現象所需的 $\phi\gamma\gamma$ 與 $\phi gg$ 耦合？
• RQ2 在2HDM與單態模型中，哪些參數區域滿足微擾幺正性與LHC直接搜尋限制？
• RQ3 由單態模型產生的穩定且電中性的矢量樣式費米子是否可作為具有正確剩餘密度與直接探測截面的可行暗物質候選者？
• RQ4 VLFs 的存在如何影響總寬度與雙光子衰變率，特別是在 $\Gamma_\phi \gtrsim 1$ GeV 的寬共振態情況下？
• RQ5 $\phi \to hh$ 與 $\phi \to $ 帶電Higgs 衰變對模型可行性有何影響？

主要发现

• 在對齊極限下的2HDM若引入矢量樣式費米子，僅在特定類型（如類型-X）與特定VLF質量下，才能產生所需的雙光子衰變率。
• 在單態模型中，穩定且電中性的矢量樣式費米子可作為暗物質，透過 $\psi\psi \to \text{SM}$ 湮滅過程實現正確的剩餘密度。
• 當VLF質量約為375 GeV且 $\phi\psi\psi$ 耦合常數適當地調節時，模型可滿足直接探測限制。
• 對於大總寬度（$\Gamma_\phi \gtrsim 30$ GeV）的情況，僅當矢量樣式夸克質量低於1000 GeV時，才能實現雙光子衰變率，此條件在LHC直接搜尋中受到限制，除非該狀態具有長壽命。
• $\phi \to hh$ 衰變模式施加了嚴格限制；分支比超過5% 已被二Higgs LHC數據排除。
• 質量約為375 GeV的帶電矢量樣式輕子可顯著提升 $\phi\to\gamma\gamma$ 部分寬度，並可在LHC搜尋中被探測。