[论文解读] The force awakens - the 750 GeV diphoton excess at the LHC from a varying electromagnetic coupling

Ulf Danielsson, Rikard Enberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文提出，LHC中750 GeV的二光子衰变过剩现象源于一种在电磁耦合常数变化框架下的重标量粒子，该标量粒子通过夸克-反夸克湮灭或光子-光子湮灭产生，并主要衰变为二光子。该模型将标量粒子的质量固定为750 GeV，新物理尺度固定为1.5–2 TeV，预测了三体衰变产生的独特二轻子-光子共振态。

ABSTRACT

We show that the recent 750 GeV diphoton excess observed at the LHC may be explained by the production of a scalar of the type involved in Bekenstein's framework for varying-$\alpha$ theories, with the difference that the scalar in our model has a large mass. The model has only two free parameters, the mass of the scalar and the scale of this new physics, which are fixed by the LHC excess to 750 GeV and 1.5-2 TeV, respectively. We discuss collider and cosmology aspects of the model, and give predictions for future LHC searches. In particular, the scalar is dominantly produced by quark-antiquark fusion in association with a photon or a fermion pair. In addition, it can be produced in the s-channel in photon-photon fusion. Its dominating decay is to diphotons, but it also has a large three-body decay to a fermion pair and a photon, which provides an interesting search channel with a dilepton-photon resonance at 750 GeV. We also comment on the possibility that the new physics is related to extra dimensions or string theory.

研究动机与目标

• 通过变化电磁耦合常数框架下的标量粒子解释LHC观测到的750 GeV二光子共振态。
• 通过引入一个大质量标量和两个自由参数，弥补标准模型扩展对这一共振态缺乏解释的不足。
• 预测新的对撞机信号，包括二轻子-光子共振态，以在未来的LHC运行中检验该模型。
• 探讨所提出标量的宇宙学和额外维维度的含义，将其与弦理论等更广泛的理论框架联系起来。

提出的方法

• 将Bekenstein的变-$\alpha$理论推广，引入一个质量为750 GeV的大质量标量场。
• 构建一个仅包含两个自由参数的模型：标量质量与新物理尺度，后者由LHC数据固定在1.5–2 TeV之间。
• 计算通过夸克-反夸克湮灭和光子-光子湮灭的产生截面，识别主要的产生模式。
• 计算衰变分支比，显示主要衰变为二光子，同时存在显著的三体衰变至费米子对与一个光子。
• 使用有效场论技术描述标量与标准模型场之间的相互作用。
• 分析该模型与宇宙学约束的相容性，及其与额外维或弦理论的潜在联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV二光子过剩能否通过变化电磁耦合常数理论中的大质量标量来解释？
• RQ2 该标量在LHC中的主要产生机制是什么？与标准模型预期相比有何差异？
• RQ3 该标量的关键衰变通道有哪些？它们是否在二光子末态之外提供了可观测的信号？
• RQ4 该模型的参数空间——特别是标量质量与新物理尺度——如何约束观测到的共振态？
• RQ5 该标量是否与额外维或弦理论相关？对新标准模型物理有何启示？

主要发现

• 标量质量由观测到的二光子共振态固定为750 GeV，与LHC数据中的峰值完全一致。
• 新物理尺度被约束在1.5–2 TeV之间，与模型参数空间及对撞机约束一致。
• 主要产生模式为与光子或费米子对关联的夸克-反夸克湮灭，以及s通道的光子-光子湮灭。
• 标量主要衰变为二光子，但也具有较大的分支比衰变为费米子对与一个光子，从而可在750 GeV处开展二轻子-光子共振态的搜索。
• 该模型预测了一个独特的三体衰变通道，未来高统计量LHC搜索可加以探测。
• 该框架与宇宙学观测一致，且可能嵌入涉及额外维或弦理论的理论中。