[论文解读] Can the $ 750\, GeV$ enhancement be a signal of light magnetic monopoles?

L.N. Epele, H. Fanchiotti+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

本文研究了ATLAS与CMS观测到的750 GeV二光子增强现象是否可解释为磁单极子的束缚态——单极子共振态，采用$β$-耦合方案，因其与低单极子质量的兼容性。研究发现，单极子质量为390–400 GeV、单极子共振态为710 GeV，且二光子分支比为百分之几时，可重现观测到的截面（约100 fm/GeV），同时预测在阈值附近存在一个宽广的$m\bar{m}$湮灭背景。

ABSTRACT

The announced ~ 3 σ enhancement in the inclusive γ γ -spectrum at ~ 750 GeV made by the ATLAS and CMS collaborations at LHC might indicate the existence of a monopole-antimonopole bound state: monopolium. In here we revisit our calculation of 2012 from a more general perspective and see that this resonance, if confirmed, might be a first signal of the existence of magnetic monopoles.

研究动机与目标

• 探讨LHC中750 GeV二光子增强现象是否可作为单极子束缚态（磁单极子的束缚态）的信号。
• 评估磁单极子作为该共振态解释的可行性，尤其在$β$-耦合方案下，因其与低单极子质量的兼容性。
• 通过匹配观测截面与共振宽度，约束单极子质量与结合能。
• 研究单极子共振衰变与单极子-反单极子湮灭之间的相互作用，特别是阈值附近预测的宽背景。
• 提供一个现象学上可行的模型，使二光子信号与现有LHC数据及单极子耦合的理论约束相协调。

提出的方法

• 采用$β$-耦合方案，其中单极子-光子耦合依赖于中心系中单极子的速度，使在阈值附近耦合更小。
• 应用Breit-Wigner共振形式建模单极子共振截面，总宽度$\Gamma_{\text{Tot}} = 50$ GeV，二光子分支比为百分之几。
• 使用Weizsäcker-Williams近似计算质子-质子碰撞中的有效光子通量，从而计算$\gamma\gamma \to M \to \gamma\gamma$截面。
• 通过卷积积分$\mathcal{L}(E)$对全相空间积分，以考虑质子-质子碰撞中的非弹性、半弹性与弹性过程。
• 利用包含$\beta_s$、单极子质量$m$与单极子共振态质量$M$的动量依赖表达式计算单极子共振衰变宽度$\Gamma(E)$，其中$\beta_s = \sqrt{1 - M^2/E^2}$为$β$-方案中的表达式。
• 将单极子共振信号与单极子-反单极子湮灭截面进行比较，后者随单极子质量减小而增大，从而约束可行的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV二光子增强现象能否由轻质量磁单极子形成的单极子共振态解释？
• RQ2 为重现观测到的共振截面与宽度，所需单极子质量与结合能为何值？
• RQ3 耦合方案的选择（Dirac与$β$-耦合）如何影响单极子共振解释的可行性？
• RQ4 在二光子谱中，窄的单极子共振峰与宽广的单极子-反单极子湮灭背景之间预期有何相互作用？
• RQ5 观测到的二光子信号对单极子共振态的总衰变宽度与二光子分支比施加了何种约束？

主要发现

• 单极子质量为390 GeV、单极子共振态为710 GeV、二光子分支比为百分之几时，可产生约100 fm/GeV的截面，与750 GeV增强现象一致。
• $β$-耦合方案对这一解释至关重要，因为Dirac耦合在阈值附近会导致不可接受大的耦合，从而排除低单极子质量的可能性。
• 由于动量依赖的$β$-耦合，共振峰相对于单极子质量向后偏移40–50 GeV，与观测到的增强位置相符。
• 单极子-反单极子湮灭在阈值附近产生宽广的峰，必须被抑制以避免过量产生；这将单极子质量限制在370–400 GeV之间。
• 该模型预测存在双峰结构：约710 GeV处为单极子共振衰变产生的窄峰，以及来自$m\bar{m}$湮灭的宽背景，两者均可在二光子通道中探测到。
• 降低二光子分支比或使总宽度超过50 GeV，可进一步抑制$m\bar{m}$背景，从而在保持与数据一致的前提下允许更大的结合能与单极子质量。