[论文解读] A spartan model for the LHC diphoton excess

Thomas Appelquist, James Ingoldby+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出了一种最小、可重整化的标准模型扩展，包含一个新的 $SU(2)_V$ 规范场和一个复标量双生 $Φ_V$，该双生通过获得真空期望值产生一个 750 GeV 的重标量共振态，从而解释大型强子对撞机（LHC）的二光子过剩现象。该模型具有一个意外的 $U(1)$ 对称性，可稳定新矢量 boson 并抑制电弱精确修正，使得子 TeV 量级的矢量质量与强耦合成为可能，同时仍与现有约束一致。

ABSTRACT

We propose a simple model accommodating the reported 750 GeV diphoton excess seen in the first 13-TeV run of the LHC. It leads to testable predictions, in particular for di-lepton production, at higher integrated luminosity. We append to the minimal standard model a new gauge sector with its own SU(2) symmetry group. A new complex doublet scalar field provides mass for the new vectors and describes the 750-GeV resonance. An adequate rate for the diphoton signals, with resonant production via photon fusion, requires the VEV of the new scalar field to be somewhat less than the electroweak scale. This in turn requires the new heavy vectors to have sub-TeV masses and be relatively strongly coupled. A new global U(1) symmetry plays a key role. Current precision-electroweak constraints are respected.

研究动机与目标

• 通过标准模型的最小、可重整化扩展，解释大型强子对撞机 13 TeV 运行中观测到的 750 GeV 二光子共振态。
• 在存在新的子 TeV 量级矢量与标量态的前提下，保持与电弱精确测量的一致性。
• 识别一种机制，以抑制新贡献对电弱精确可观测量的影响，而无需精细调节。
• 预测在 LHC 未来更高亮度运行中可检验的信号，特别是二轻子产生过程。
• 探讨意外全局 $U(1)$ 对称性在稳定新矢量 boson 及抑制其宽度方面的作用。

提出的方法

• 引入一个新的 $SU(2)_V$ 规范场，其与一个复标量双生 $\Phi_V$ 耦合，该双生通过真空期望值 $f_V$ 破缺对称性。
• 构建模型使得 $\Phi_V$ 中的物理希格斯样标量 $H$ 成为 750 GeV 共振态，其质量与耦合由 $f_V$ 和规范耦合 $g_V$ 决定。
• 实施一个全局 $U(1)$ 对称性，该对称性在 $SU(2)_R \times SU(2)_V$ 破缺后作为意外对称性出现，从而抑制电弱精确可观测量的树图贡献。
• 使用有效场论（EFT）技术计算通过光子融合产生二光子的截面，其主要贡献来自新矢量 boson 的圈图。
• 利用 NNPDF23_nlo_as_0119_qed PDF 数据集计算部分子亮度 $C_{\gamma\gamma}$，以估算 $\sqrt{s} = 8$ 和 $13$ TeV 下的二光子信号率。
• 评估来自电弱精确数据与希格斯耦合的约束，表明即使在子 TeV 量级矢量质量下，该模型依然可行。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过一个简单、可重整化的模型解释 750 GeV 二光子过剩现象，而无需精细调节或引入极重的新粒子？
• RQ2 如何使一个包含子 TeV 量级矢量 boson 的新 $SU(2)_V$ 规范场与电弱精确测量保持一致？
• RQ3 意外的 $U(1)$ 对称性在抑制对 $S$ 与 $T$ 参数的新贡献方面起到何种作用？
• RQ4 LHC 上二轻子与光子融合产生率的预测为何？这些信号在未来运行中是否可检验？
• RQ5 对 750 GeV 共振态的要求对真空期望值 $f_V$ 与规范耦合 $g_V$ 施加了何种约束？

主要发现

• 该模型通过光子融合机制解释了 750 GeV 二光子过剩现象，共振态来源于新 $SU(2)_V$ 矢量 boson 圈图产生的大质量标量 $H$。
• 为获得足够大的二光子截面，要求 $f_V \lesssim f$，其中 $f \approx 244$ GeV 为电弱尺度，这迫使新矢量 boson 相对轻且强耦合。
• 为在不精细调节的前提下实现子 TeV 量级的矢量质量，新 $SU(2)_V$ 规范耦合必须较强，即 $g_V \gtrsim 2$。
• 意外的 $U(1)$ 对称性抑制了 $S$ 与 $T$ 参数的树图贡献，使得该模型即使在存在新粒子的情况下，仍能满足电弱精确测量约束。
• 通过光子融合产生 $H$ 共振态的截面估计在 $\sqrt{s} = 8$ TeV 时约为 $\sim 11$ fb，在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 时约为 $\sim 54$ fb，具体取决于 $M_H$，且 $C_{\gamma\gamma}$ 值在 10 至 100 量级。
• 新带电矢量 boson 受意外 $U(1)$ 对称性保护，导致其寿命较长，未来 LHC 运行中可能在二轻子末态中产生可观测信号。