[论文解读] Broad Diphotons from Narrow States

Haipeng An, Clifford Cheung+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 39

一句话总结

本文提出了一种弱耦合、可重整化的理论，解释大型强子对撞机（LHC）中750 GeV双光子过剩现象，其源于窄宽度粒子的三体衰变，其中非壳标量玻色子介导双光子产生，从而形成宽度可调的宽共振态。关键预测是：双光子峰相对于缺失能量、喷胶或轻子呈现不对称性，为该机制提供了决定性信号。

ABSTRACT

ATLAS and CMS have each reported a modest diphoton excess consistent with the decay of a broad resonance at ~ 750 GeV. We show how this signal can arise in a weakly coupled theory comprised solely of narrow width particles. In particular, if the decaying particle is produced off-shell, then the associated diphoton resonance will have a broad, adjustable width. We present simplified models which explain the diphoton excess through the three-body decay of a scalar or fermion. Our minimal ultraviolet completion is a weakly coupled and renormalizable theory of a singlet scalar plus a heavy vector-like quark and lepton. The smoking gun of this mechanism is an asymmetric diphoton peak recoiling against missing transverse energy, jets, or leptons.

研究动机与目标

• 使用仅包含弱耦合、窄宽度粒子的理论解释观测到的750 GeV双光子共振态（宽度约45 GeV）。
• 证明即使终态粒子具有窄宽度，通过涉及非壳标量或费米子的三体衰变，仍可产生宽的双光子共振态。
• 提出一个基于单态标量、矢量型夸克和矢量型轻子的最小紫外完备模型，重现双光子过剩的截面与宽度。
• 识别出独特实验信号：双光子峰相对于缺失横向动量、喷胶或轻子呈现不对称性，与强耦合模型形成鲜明区分。

提出的方法

• 该机制依赖于三体衰变：χ₁ → χ₂(ϕ* → γγ)，其中ϕ为衰变为双光子的标量粒子，但其为非壳产生。
• 通过调节χ₁、χ₂与ϕ之间的质量差，调控双光子共振态的宽度，即使ϕ具有窄的本征宽度，仍可实现宽且可调的宽度。
• 双光子耦合由涉及重带电且带色粒子的高维算符介导，有效耦合为∝ α/(6πΛ) 与 αₛ/(6πΛₛ)。
• 通过一个包含单态标量、重矢量型夸克与矢量型轻子的可重整化理论实现紫外完备化，确保弱耦合与可重整化性。
• 共振态的产生率由矢量型夸克的对产生控制，通过汤川耦合调整分支比，以匹配观测到的5–10 fb信号截面。
• 施加动量学约束以抑制竞争衰变道，例如要求 m_Q - m_ϕ < m_W + m_b 以抑制本征W粒子的产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在仅含窄宽度粒子的弱耦合、可重整化理论中解释宽度约为45 GeV的宽双光子共振态？
• RQ2 如何在不依赖强耦合或大汤川耦合的情况下重现观测到的双光子过剩截面（约5–10 fb）？
• RQ3 此类模型中会产生哪些独特实验信号，使其与强耦合解释相区别？
• RQ4 双光子峰的宽度能否独立于中间态的本征宽度进行调节？
• RQ5 在此机制下，双光子事例中缺失能量、喷胶或轻子的物理含义为何？

主要发现

• 双光子共振态的宽度并非源自标量ϕ的本征性质，而是由三体衰变中非壳产生所致，即使ϕ具有窄宽度，仍可实现宽且可调的宽度。
• 双光子峰呈现不对称性，峰下事件多于峰上，这是三体衰变动力学的结果。
• 该模型预测了一个决定性信号：双光子事例与缺失横向动量、喷胶或带电轻子发生动量反冲，源于χ₁衰变为χ₂与非壳ϕ。
• 在底夸克伙伴情形下，750 GeV的矢量型夸克可产生约5 fb的信号截面，且 r ≈ 0.0096，模型预测具有约750 GeV不变质量的硬喷胶。
• 在顶夸克伙伴情形下，920 GeV的矢量型夸克可产生约5 fb的信号截面，且 r ≈ 0.036，模型预测包含两个硬喷胶、带电轻子与缺失能量的事例。
• 当 m_Q - m_ϕ < 50 GeV 时，Q → t*ϕ 的衰变宽度被强烈抑制（≈ 0.02 μm⁻¹ × y² × (Δm/50 GeV)⁷），确保双光子通道占主导地位。