[论文解读] Addressing the LHC 750 GeV diphoton excess without new colored states

Amine Ahriche, Gaber Faisel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出一个带有单重标量的两Higgs双峰模型，以解释大型强子对撞机（LHC）750 GeV双光子过剩现象，且无需引入新的有色粒子。结果表明，该共振态主要通过光子融合过程实现所需的双光子产生截面，同时满足所有现象学约束，并预测了未来LHC运行中可检验的衰变模式。

ABSTRACT

The modest excess in the diphoton invariant mass spectrum around 750 GeV recently detected at the LHC could be preliminary evidence for the existence of a heavy new resonance. Assuming that it is a spinless boson, dubbed $ ilde s$, we consider it within a model containing two weak scalar doublets having zero vacuum expectation values and a scalar singlet in addition to the doublet responsible for breaking the electroweak symmetry. We show that the model is consistent with all phenomenological constraints and can yield a production cross section $\sigma(pp ightarrow ilde{s} ightarrow\gamma\gamma)$ of roughly the desired size, mainly via the photon-fusion contribution, without involving extra colored fermions or bosons. We also discuss other major decay modes of $ ilde s$ which are potentially testable in upcoming LHC measurements.

研究动机与目标

• 解释大型强子对撞机（LHC）观测到的750 GeV双光子过剩现象，且不引入新的有色费米子或玻色子。
• 构建一个具有两个弱标量双峰和一个单重标量的可重整化模型，以保持电弱对称性自发破缺。
• 通过光子融合贡献实现与实验数据一致的双光子产生截面。
• 确保该模型满足所有当前的现象学约束，包括电弱精确测量和味物理。
• 识别并分析未来LHC数据中可能被检验的共振态衰变模式。

提出的方法

• 引入一个包含两个弱标量双峰（真空期望值均为零）和一个实标量单重的模型，外加标准模型的Higgs双峰。
• 将标量单重作为750 GeV共振态（$\tilde{s}$），其通过圈图诱导的相互作用与光子耦合。
• 通过主要的光子融合机制计算双光子产生截面，该机制涉及带电粒子的虚圈图。
• 通过调节标量扇区参数，确保模型与电弱精确可观测量保持一致。
• 分析$\tilde{s}$衰变为各种末态（包括$\gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$和$\gamma Z$）的分支比，以识别可观测信号。
• 通过检查味改变中性流和Higgs信号强度的约束，评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子过剩是否可以在不引入新有色态的情况下得到解释？
• RQ2 在无有色伙伴的模型中，共振态的主要产生机制是什么？
• RQ3 该模型能否在满足所有现象学约束的前提下，实现与观测过剩一致的双光子截面？
• RQ4 未来LHC数据中，共振态的哪些衰变模式最有可能被观测到？
• RQ5 真空期望值和标量混合如何影响共振态的物理学性质？

主要发现

• 该模型通过光子融合过程主要实现了观测到的双光子截面，且无需引入新的有色态。
• 共振态$\tilde{s}$的产生截面可达到与观测过剩相当的量级，与LHC数据一致。
• $\tilde{s} \to \gamma\gamma$的主要贡献来自标量双峰和单重的带电组分参与的圈图。
• 由于额外双峰的真空期望值为零，该模型与电弱精确测试和味物理保持一致。
• 预测了$ZZ$、$WW$和$\gamma Z$的显著分支比，使这些衰变模式在未来LHC数据中可能被观测到。
• 由于未引入新的有色粒子，该模型避免了味物理和对撞机搜索带来的强约束，从而增强了其可行性。