[论文解读] A composite scalar hint from di-boson resonances?

Haiying Cai, Thomas Flacke+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 16

一句话总结

该论文提出了一种基于 $SU(4)/Sp(4)$ 余集的复合希格斯模型，并引入了额外的 $SU(6)/SO(6)$ 规范结构，生成一个与二玻色子末态通过威斯-祖米诺-维滕异常项耦合的伪 Nambu-Goldstone 玻色子（pNGB）。该模型以 10 fb 的截面解释了 ATLAS 实验中 $WW$ 和 $ZZ$ 通道的 2 TeV 二玻色子过剩现象，同时与 LHC 运行 I 阶段对 $Z\gamma$、$\gamma\gamma$ 和二胶子末态的约束保持一致。

ABSTRACT

We study the light scalar resonance sector of a composite Higgs model UV embedding based on the coset $SU(4)/Sp(4)$. Beyond the Higgs multiplet, the pseudo Nambu-Goldstone sector of this model contains Standard Model singlets which couple to the Standard Model gauge bosons through Wess-Zumino-Witten anomaly terms. They can thus be produced in gluon fusion and decay into either gluons or pairs of electroweak gauge bosons $WW$, $ZZ$, $Zγ$, or $γγ$. In this letter we show that one of the pseudo Nambu-Goldstone boson states has appropriate couplings in order to explain a di-boson excess in the $WW$ channel whilst not being excluded by LHC run I bounds on the di-jet, $Zγ$ and $γγ$ decay channels. A di-boson resonance production cross section of $\sim$ 10 fb at LHC run I is not a prediction of the model, but can be obtained if the confining gauge group is of high rank.

研究动机与目标

• 探讨具有 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 全局对称性自发破缺模式的复合希格斯模型是否能产生一个可解释 2 TeV 二玻色子共振过剩的 pNGB。
• 确定此类 pNGB 是否可通过威斯-祖米诺-维滕异常项与电弱规范玻色子耦合，且不违反现有的 LHC 约束。
• 评估该模型的分支比和产生截面是否可调节至与 2 TeV 时 $WW$ 和 $ZZ$ 通道中观测到的 $\sim$10 fb 截面相匹配。
• 评估该模型在未来 LHC 搜索中的可检验性，特别是 $Z\gamma$ 和 $\gamma\gamma$ 末态。

提出的方法

• 该模型基于具有四个 fundamental 夸克 $Q$ 和六个反对称表示费米子 $\chi$ 的 $Sp(2N_c)$ 色禁闭规范理论，从而产生全局 $SU(4)\times SU(6)\times U(1)$ 对称性。
• 在 $SU(4)\times SU(6)\to Sp(4)\times SO(6)$ 的自发对称性破缺下，生成一个复合希格斯粒子和额外的 SM singlet pNGB。
• pNGB 部分包括一个中性伪标量态 $\sigma$，其仅通过异常项与胶子和电弱规范玻色子（$WW$、$ZZ$、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$）耦合。
• 该 pNGB 的分支比完全由群论和异常结构决定，仅剩 $N_c$、$f_Q$ 和 $f_\chi$ 作为自由参数。
• 通过异常诱导耦合计算胶子融合过程中的产生截面，其依赖于 $N_c$、$f_Q$ 和 $f_\chi$，而 10 fb 的截面要求 $N_c=10$ 且 $f_Q=f_\chi=500$ GeV。
• 该模型的理论物理性质通过 LHC 运行 I 阶段对 $Z\gamma$、$\gamma\gamma$ 和二胶子末态的约束进行了检验，结果表明在所选参数下模型保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 对称性破缺的复合希格斯模型能否产生一个可解释 $WW$ 和 $ZZ$ 通道中 2 TeV 二玻色子共振过剩的 pNGB？
• RQ2 该 pNGB 对 $WW$、$ZZ$、$Z\gamma$ 和 $\gamma\gamma$ 末态的异常介导耦合是否仍与现有的 LHC 运行 I 阶段约束一致？
• RQ3 该 pNGB 在胶子融合过程中的产生截面是否与 2 TeV 时观测到的 $\sim$10 fb 率相容？其所需的模型参数是什么？
• RQ4 $Z\gamma$ 和 $\gamma\gamma$ 衰变末态能否作为清晰的探测手段，用以区分该伪标量模型与其他二玻色子共振解释？
• RQ5 色禁闭规范群 $Sp(2N_c)$ 的秩 $N_c$ 以及衰变常数 $f_Q$、$f_\chi$ 如何影响共振态的产生截面和分支比？

主要发现

• 在 $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 复合希格斯模型中，自然地产生了一个具有与二玻色子末态异常耦合的伪 Nambu-Goldstone 玻色子 $\sigma$。
• $\sigma$ 对 $WW$、$ZZ$、$Z\gamma$ 和 $\gamma\gamma$ 的分支比完全由群论和异常结构决定，除 $N_c$、$f_Q$ 和 $f_\chi$ 外无其他自由参数。
• 当 $N_c=10$ 且 $f_Q=f_\chi=500$ GeV 时，该模型产生一个 2 TeV 的共振态，其胶子融合截面约为 10 fb，与 ATLAS 实验的过剩现象一致。
• 该模型与 LHC 运行 I 阶段对 $Z\gamma$、$\gamma\gamma$ 和二胶子末态的约束保持一致，因为预测的分支比低于观测极限。
• $Z\gamma$ 和 $\gamma\gamma$ 末态被预测具有可观测的衰变率，是未来 LHC 数据（包括运行 II 及以后）检验该模型的理想途径。
• 该共振态的质量不由模型固定，而是由显式的 $U(1)$ 破缺产生，因此可通过调节使其精确匹配 2 TeV 的观测过剩。