[论文解读] Can the 750 GeV diphoton LHC excess be due to a radion-dominated state?

Edward Boos, V. Bunichev+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文研究了LHC观测到的750 GeV二光子衰变过量是否可能源自稳定化Randall-Sundrum膜世界模型中以径子主导的标量态。通过包含Kaluza-Klein标量激发谱的唯象拉格朗日量，研究发现二光子产生截面仍小约50至100倍，不足以解释观测到的过量，因此在该模型的最简版本中排除了这一解释。

ABSTRACT

We discuss the possibility of interpreting the 125 GeV scalar boson and the 750 GeV diphoton excess recently reported by the ATLAS and CMS experiments as a Higgs-dominated and a radion-dominated states respectively in a stabilized brane-world model. It is shown that in the simplest variant of the model, where only the gravitational degrees of freedom propagate in the bulk, the production cross section of the radion-dominated state with mass 750 GeV turns out to be too small in the allowed region of the model parameter space for explaining the nature of the excess in this approach.

研究动机与目标

• 评估LHC中750 GeV二光子过量是否可由稳定化Randall-Sundrum模型中的径子主导标量共振态解释。
• 评估在五维膜世界框架下，将125 GeV希格斯玻色子和750 GeV过量分别解释为希格斯玻色子和径子主导态的可行性。
• 确定在唯象拉格朗日量中包含Kaluza-Klein标量激发态是否足以增强二光子产生截面，使其达到观测信号水平。
• 检验先前关于此类模型中无法解释该过量的结论的鲁棒性，特别是考虑高阶KK态时的情形。

提出的方法

• 本研究采用基于稳定化Randall-Sundrum模型的低能有效拉格朗日量，该模型包含一个体标量场（Goldberger-Wise机制）和定域于TeV膜上的SM场。
• 通过非最小耦合项 $ L_{\text{int}} = -\lambda(|H|^2 - \frac{\xi}{M}\phi^2)^2 $ 建模希格斯-径子混合，该项通过膜上的自发对称性破缺产生混合。
• 利用包含Kaluza-Klein标量激发谱全塔贡献的唯象拉格朗日量，计算750 GeV态在胶子融合过程中的产生截面及其二光子衰变宽度。
• 对模型参数空间进行统计分析，重点关注混合角 $ \theta $ 和径子衰变常数 $ \Lambda_r $，并在参数空间中绘制截面等高线。
• 将结果与先前使用希格斯-曲率耦合的研究进行比较，确保与已知的KK引力子质量限制及二轻子搜寻结果一致。
• 分析中考虑了共形异常对二光子振幅的贡献，该贡献在小混合角情况下占主导。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅含引力和体标量场的稳定化Randall-Sundrum模型中，以径子主导的标量态是否能通过产生截面和衰变宽度再现观测到的750 GeV二光子过量？
• RQ2 标量扇区的Kaluza-Klein激发态如何影响以径子主导态的二光子产生截面？
• RQ3 包含已积分掉的高阶共振态的唯象拉格朗日量方法是否足以将信号速率增强至观测水平？
• RQ4 在小混合角区域，共形异常贡献是否显著改变二光子衰变振幅？
• RQ5 考虑到KK引力子质量超过2 TeV，该模型是否仍能与二轻子和二胶子道中无信号的实验结果保持一致？

主要发现

• 在允许的参数空间内，750 GeV质量的径子主导态的二光子产生截面最大仅为0.14 fb，远小于解释观测过量所需值的50至100倍。
• 即使包含Kaluza-Klein标量激发谱的全塔贡献，截面也未显著增强，无法达到观测信号强度，表明在此模型设定下，这些态的增强效应可忽略不计。
• 在小混合角情况下，共形异常对二光子振幅的贡献占主导，但该贡献本身不足以产生观测到的信号速率。
• 该模型与二轻子和二胶子道中无信号的实验结果保持一致，因为KK引力子质量超过2 TeV，无法对750 GeV共振态产生贡献。
• 该结论在不同参数化下均成立：在仅含引力和稳定化标量自由度的体中的最简稳定化膜世界模型中，750 GeV过量的径子主导解释被排除。
• 本研究确认了先前结论：除非SM场的KK激发态在体中传播，否则此类模型无法解释该过量，而此类情况需要对当前框架进行更复杂且非平凡的扩展。