[论文解读] 750 GeV Diphoton Excess as a Composite (Pseudo)scalar Boson from New Strong Interaction

Pyungwon Ko, Chaehyun Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出，LHC 数据中观测到的 750 GeV 二光子过剩可能源自一种新的 QCD 类似束缚力形成的复合（伪）标量玻色子，其组分可能是矢量型夸克（Q\bar{Q}）或标量夸克（\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger）。该模型通过非相对论性 QCD 计算解释了该过剩，并预测了可检验的信号，如自旋三重态伙伴和超色荷单态二胶球/单胶球事件。

ABSTRACT

The diphoton excess at 750 GeV would make a definite signal of new physics beyond the Standard Model, if confirmed. In this letter, we consider a possibility that the excess is due to a composite (pseudo)scalar boson, whose constituents are either new vector-like quarks (Q\bar{Q}) or scalar quarks (\widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger) which feel new QCD-like (hypercolor QCD) confining force with confinement scale \Lambda_h. Assuming m_Q (m_{\widetilde Q}) >> Lambda_h, the observed 750 GeV excess could be either Q\bar{Q} (^1S_0) state with J^{PC} = 0^{-+} or \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger (^1S_0) state with J^{PC}=0^{++}. For the Q\bar{Q} scenario, there will be a spin-triplet partner \psi_Q which is slightly heavier that \eta_Q due to the hyper fine interactions mediated by hypercolor gluon exchange; while for the \widetilde{Q} \widetilde{Q}^\dagger scenario, the spin-triplet partner \chi_{\widetilde Q} arises from higher radial excitation with non-zero orbital angular momentum. We consider productions and decays of eta_Q, eta_{\widetilde Q}, \psi_Q and \chi_{\widetilde Q} using the nonrelativistic QCD methods, and identify the parameter regions which can explain the observed diphoton excess. We discuss how to test these scenarios using the Drell-Yan process, and the forward dijet azimuthal angular distributions to determine the J^{PC} quantum number of the diphoton excess. Another important test of the model is the presence of a nearby hypercolor singlet but color-octet state like the ^1S_0 state \eta^8_Q or \eta^8_{\widetilde Q}, which may lead to dijet or mono-jet plus mono-photon event. Both possibilities of large or small width of the resonance can be accommodated depending on whether the hyper glueball states are kinematically allowed in the final state or not.

研究动机与目标

• 将 750 GeV 二光子过剩解释为由新 QCD 类似束缚力产生的复合（伪）标量玻色子。
• 基于其产生和衰变特性，确定该共振态的可行量子数赋值（J^{PC} = 0^{-+} 或 0^{++}）。
• 预测相关的自旋三重态伙伴及如超色荷单态色八重态共振态等新奇态。
• 通过 Drell-Yan 过程和前向二胶球方位角角分布提出实验检验方法，以确定 J^{PC}。
• 探索在超胶球末态具有或不具有动量阈值可及性时，共振态宽度较大或较小时的参数区域。

提出的方法

• 将共振态建模为在新超色荷 QCD 类似束缚力下形成的新的矢量型夸克（Q\bar{Q}）或标量夸克（\widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger）束缚态，该力的尺度为 \Lambda_h。
• 应用非相对论性 QCD 技巧计算（伪）标量共振态及其自旋三重态伙伴的产生和衰变率。
• 利用由超色胶子介导的超精细相互作用，预测赝标量（eta_Q）与其自旋三重态伙伴（\psi_Q）之间的质量分裂。
• 通过具有非零轨道角动量的更高径向激发态，生成标量夸克情形下的自旋三重态伙伴（\chi_{\widetilde{Q}}）。
• 分析 Drell-Yan 过程和前向二胶球方位角角分布，以提取共振态的 J^{PC} 量子数。
• 评估共振态宽度，取决于超胶球末态在衰变末态中是否具有动量可及性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV 二光子过剩能否由一种新强相互作用产生的复合（伪）标量玻色子来解释？
• RQ2 在 Q\bar{Q} 和 \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger 情形下，该共振态的预测量子数（J^{PC}）及其自旋三重态伙伴是什么？
• RQ3 如何通过 Drell-Yan 过程和前向二胶球方位角分布实验确定该共振态的 J^{PC}？
• RQ4 超色荷单态、色八重态态如 \eta^8_Q 或 \eta^8_{\widetilde{Q}} 在提供可检验信号方面起什么作用？
• RQ5 在何种条件下，当超胶球末态可及或不可及时，共振态宽度会变大或变小？

主要发现

• 750 GeV 二光子过剩可由 Q\bar{Q} 组成的 J^{PC} = 0^{-+} 复合（伪）标量玻色子或 \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger 组成的 J^{PC} = 0^{++} 绑定态来解释。
• 在 Q\bar{Q} 情形下，由于超色胶子交换引起的超精细分裂，会生成一个略重于赝标量态的自旋三重态伙伴 \psi_Q。
• 在 \widetilde{Q}\widetilde{Q}^\dagger 情形下，自旋三重态伙伴 \chi_{\widetilde{Q}} 由具有非零轨道角动量的更高径向激发态产生。
• Drell-Yan 过程和前向二胶球方位角角分布为实验确定共振态的 J^{PC} 量子数提供了手段。
• 一个邻近的超色荷单态但色八重态态（如 \eta^8_Q 或 \eta^8_{\widetilde{Q}}）可能产生可观测的二胶球或单胶球加单光子事件。
• 当衰变末态中存在超胶球末态的动量可及性时，共振态宽度可能较大；否则可能较小。