[论文解读] Di-photon resonance and Dark Matter as heavy pions

Michele Redi, Алессандро Струмиа+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用 16

一句话总结

本文提出，ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子共振态与暗物质（DM）均为在规范对称性自发性自发性全局对称性破缺的束缚态强相互作用理论中的复合技术π介子。该共振态通过CP破坏的θ项衰变为暗物质，从而在保持与ATLAS数据一致的大宽度的同时，使暗物质的剩余密度重现为热退耦产生的热剩留密度。该模型通过U(1)种类数对称性或G-宇称实现自然的暗物质稳定性。

ABSTRACT

We analyse confining gauge theories where the 750 GeV di-photon resonance is a composite techni-pion that undergoes anomalous decays into SM vectors. These scenarios naturally contain accidentally stable techni-pions Dark Matter candidates. The di-photon resonance can acquire a larger width by decaying into Dark Matter through the CP-violating $θ$-term of the new gauge theory reproducing the cosmological Dark Matter density as thermal relic.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子共振态为束缚态强相互作用理论中的复合技术π介子。
• 在相同的强相互作用框架下实现自然稳定的暗物质候选者。
• 通过热退耦机制重现观测到的暗物质剩余密度，并具有较大的共振态宽度。
• 识别确保技术π介子暗物质长寿命且无需微调的机制——种类数对称性或G-宇称。

提出的方法

• 构建包含Wess-Zumino-Witten项的有效手征拉格朗日量，以编码技术π介子与SM规范玻色子之间的异常诱导耦合。
• 构造包含两组技术夸克（X₁, X₂）或一个表示及其共轭（X, X̃）的模型，以生成意外全局对称性。
• 在强相互作用中引入CP破坏的θ项，以生成双光子共振态与暗物质技术π介子之间的三线耦合。
• 在质量层级极限（m_U ≫ m_N₁, m_N₂）下求解Dashen方程，以计算质量劈裂与混合角。
• 利用θ项生成允许750 GeV共振态衰变为暗物质对的三线相互作用，从而实现大宽度。
• 计算稳定技术π介子暗物质的热剩余密度，并通过直接探测与对撞机信号约束其参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子共振态能否被解释为通过异常衰变至SM向量场与暗物质的复合技术π介子？
• RQ2 在复合Higgs类模型中，如何自然地实现该共振态的大宽度（Γ ≈ 0.06M_γγ）？
• RQ3 何种对称性可确保技术π介子暗物质候选者稳定而不依赖微调？
• RQ4 该框架能否重现宇宙学尺度的暗物质密度作为热剩留密度？
• RQ5 直接探测、对撞机搜索以及θ项诱导的CP破坏相互作用带来了哪些现象学约束？

主要发现

• 750 GeV双光子共振态被识别为通过Wess-Zumino-Witten项与SM规范玻色子发生异常耦合的复合技术π介子，其衰变率由异常系数决定。
• 强相互作用中的CP破坏θ项生成了共振态与暗物质技术π介子之间的三线耦合，从而实现大宽度Γ_γγ ≈ 0.06M_γγ。
• 在种类数模型中，中性技术π介子η₊ = X₁X̄₁ + X₂X̄₂由于U(1)₁ ⊗ U(1)₂对称性而稳定，而Π = X₁X̄₂也因同一对称性而稳定。
• 在G-宇称模型中，最轻的G奇态η作为暗物质候选者稳定，其稳定性由离散对称性保护。
• 当暗物质质量为350 GeV时，技术夸克质量估计为m_N₁,₂ ≈ 60 GeV，m_U ≈ 700 GeV，假设束缚尺度约为1 TeV。
• 在简并极限下（小质量劈裂），暗物质技术π介子的物理质量为m_Π,η₂² ≈ m_Π,η₂²(θ=0) cos(θ_TC/2)，而CP破坏耦合与m_Π,η₂² tan(θ_TC/2)成正比。