[论文解读] Confronting diphoton resonance with cascade decays in warped gravity

Barry M. Dillon, Chengcheng Han+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 47被引用 10

一句话总结

本文提出了一种翘曲额外维度模型，其中大型强子对撞机（LHC）的二胶子共振源于Kaluza-Klein引力子衰变为两个轴子（radion），每个轴子随后衰变为一个光子喷注（photon-jet）。该模型在电弱精确测量和直接搜寻约束下保持一致，且第二轮运行（Run 2）数据中光子的角分布可能将此级联衰变机制与更简单的共振态区分开来。

ABSTRACT

We consider a Kaluza-Klein (KK) graviton interpretation of the diphoton excesses observed recently at the LHC. The radion, the modulus of extra dimension, appears naturally light due to classical scale invariance in this scenario. Thus, due to the presence of a sizable wavefunction overlap in the extra dimension between the KK graviton and the radion, the KK graviton can decay largely into a pair of radions, each of which decays into a pair of collimated photons, the so called photon-jet. We discuss the photon-jet scenario in setups with warped extra dimension that are consistent with current limits from direct searches and electroweak precision data. One scenario is with suppressed couplings of the KK graviton to the Higgs and fermions, and another scenario is a holographic composite Higgs model with large couplings of the KK graviton to Higgs and top quark included. We discuss the bounds on the light radion and the possibility of distinguishing the photon-jet scenario with the angular distributions of photons in the LHC Run 2.

研究动机与目标

• 通过翘曲额外维度中的Kaluza-Klein引力子与轻轴子的级联衰变机制，解释LHC观测到的二胶子共振。
• 确保该模型在当前直接搜寻和电弱精确测量实验约束下保持一致。
• 探讨两种不同情形：一种是与希格斯玻色子和费米子耦合被抑制的情形，另一种是基于全息复合希格斯模型、具有增强耦合的情形。
• 识别可观测信号——特别是光子喷注中光子的角分布——以区分此级联衰变模型与二胶子过量的其他解释。

提出的方法

• 采用具有经典尺度对称性的翘曲额外维度框架，自然地生成作为紧化维度模的轻轴子。
• 由于额外维度中波函数重叠，将KK引力子建模为与轴子有显著耦合，从而主导衰变为轴子对。
• 分析衰变链：KK引力子 → 轴子 + 轴子，随后每个轴子衰变为一对准直的光子（形成光子喷注）。
• 应用电弱精确测量数据和LHC直接搜寻结果，限制轻轴子与KK引力子的可行参数空间。
• 考虑两种不同的紫外完备化方案：一种是与标准模型场耦合被抑制的情形，另一种是在全息复合希格斯模型中对希格斯和顶夸克具有大耦合的情形。
• 评估光子喷注中光子的角分布作为关键可观测量，以区分此模型与直接二胶子共振衰变的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC观测到的二胶子共振是否可由KK引力子级联衰变为两个轴子、每个轴子再衰变为光子喷注来解释？
• RQ2 电弱精确测量数据和LHC直接搜寻结果如何限制该模型中轻轴子与KK引力子的参数空间？
• RQ3 与希格斯玻色子和费米子耦合被抑制的情形相比，全息复合希格斯模型中具有增强耦合的情形在现象学上有哪些差异？
• RQ4 LHC第二轮运行数据中光子喷注内光子的角分布能否将此级联衰变机制与直接共振衰变为二胶子的情形区分开来？

主要发现

• 通过翘曲额外维度中的经典尺度对称性，自然实现了轻轴子，使KK引力子与轴子之间具有显著的波函数重叠。
• KK引力子的主要衰变模式为衰变为两个轴子，每个轴子随后衰变为一对准直光子，形成光子喷注信号。
• 当与希格斯玻色子和费米子的耦合被抑制时，该模型在LHC直接搜寻极限和电弱精确测量数据下保持一致。
• 在全息复合希格斯模型中，只要轴子较轻且KK引力子较重，即使对希格斯和顶夸克具有大耦合，也不违反实验约束。
• 光子喷注中光子的角分布提供了独特信号，可用于在Run 2数据中区分此级联衰变模型与直接二胶子共振。
• 该模型为二胶子过量提供了可行解释，同时满足现有实验约束，并在光子角关联性方面具有可检验的预测。