[论文解读] Boosted scalar confronting 750 GeV di-photon excess

Y. Jiang, Lingfeng Li+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 166被引用 5

一句话总结

本文通过引入一个750 GeV的重CP-偶Higgs $Y_2$，提出了一种增强的标量模型来解释LHC中750 GeV的双光子过剩现象。该模型中，$Y_2$衰变为两个高度Boosted、亚GeV量级的单态类似标量$Y_1$，每个$Y_1$随后衰变为高度准直的光子喷注。复单态扩展使得$Y_1$的双光子截面为1–10 fb，衰变长度达1米，同时单态的赝标量分量自然地成为暗物质候选者。

ABSTRACT

We consider the di-photon signal arises from two bunches of collimated photon jets emitting from a pair of highly boosted scalars. Following the discussion of detecting the photon jets at the collider, we extend the two-Higgs-doublet model (2HDM) by adding a gauge singlet scalar. To explain the di-photon excess which is recently observed at the first 13 TeV run of the LHC, the mixing between the heavy doublet state and the newly added singlet is crucially needed. After the mixing, one can have a heavy Higgs state $Y_2$ at 750 GeV and a very singlet-like scalar $Y_1$ of sub-GeV, which would be highly boosted through the $Y_2$ decay. Both real singlet and complex singlet extension are studied. It turns out that only the complex model can yield the 1-10 fb cross section in the di-photon final state in accompany with the decay length of the order of 1 m for the $Y_1$. This complex model parametrically predicts the width of 750 GeV resonance $\gtrsim 1$ GeV. In addition, the pseudoscalar component of the singlet in this model is naturally stable and hence could be a dark matter candidate.

研究动机与目标

• 解释LHC 13 TeV运行中观测到的750 GeV双光子过剩现象，该现象无法由最小2HDM解释，因其双光子分支比被抑制。
• 探索750 GeV共振态直接衰变之外的双光子信号机制，重点关注涉及Boosted、长寿命标量态的级联衰变。
• 确定2HDM的规范单态标量扩展是否能同时重现观测到的双光子截面和轻标量的衰变长度要求。
• 识别参数空间，使得轻标量$Y_1$足够长寿命以产生准直光子喷注，同时保持可观测的双光子信号。

提出的方法

• 通过添加一个规范单态标量扩展双希格斯双重模型（2HDM），得到750 GeV处的质量本征态$Y_2$和低于210 MeV的轻量单态类似标量$Y_1$。
• 引入重双重态$Y_2$与单态$Y_1$之间的微小混合，通过圈图诱导的耦合控制$Y_1$的衰变长度。
• 研究实单态与复单态扩展；复模型在标量势中引入线性项，实现混合而不触发希格斯隐性衰变。
• 利用对撞机现象学模拟$Y_1$衰变产生的光子喷注，要求喷注具有窄角宽度且夹角$\lesssim 0.1$弧度。
• 通过$gg \to Y_2 \to Y_1 Y_1 \to \gamma\gamma \gamma\gamma$计算双光子截面$\sigma(pp \to \gamma\gamma)$，确保与观测到的10–6 fb速率一致。
• 利用标量势正定性和幺正性约束，对四次耦合$\lambda_i$、$\kappa_i$施加边界，评估理论稳定性和微扰性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过涉及Boosted、长寿命标量的级联衰变机制解释750 GeV双光子过剩，而无需引入大耦合？
• RQ2 为使光子喷注与LHC喷注重建一致，轻标量$Y_1$所需的质量和衰变长度是多少？
• RQ3 为何复单态模型比实单态模型更适用于同时实现正确的双光子截面和衰变长度？
• RQ4 750 GeV共振态与单态标量之间的混合如何影响$Y_2$共振态的宽度？
• RQ5 该模型中单态的赝标量分量是否可作为稳定的暗物质候选者？

主要发现

• 复单态扩展成功重现了观测到的1–10 fb双光子截面，而实单态模型由于混合约束过紧而无法实现。
• 在复模型中，$Y_1$标量的衰变长度可达约1米，使LHC中可观测的准直光子喷注成为可能。
• 该模型预测750 GeV共振态$Y_2$的宽度为$\gtrsim 1$ GeV，与观测到的信号宽度一致。
• 由于$Z_2$-类似对称性，单态的赝标量分量自然稳定，使其成为可行的暗物质候选者。
• 实单态模型因混合抑制过强，无法同时满足双光子截面和衰变长度约束。
• $Y_2$共振态主要通过胶子融合产生，其衰变为$Y_1 Y_1$仅在$m_{Y_1} \lesssim 210$ MeV时具有动力学允许性。