[论文解读] Di-photon resonance around 750 GeV: shedding light on the theory underneath

Joydeep Chakrabortty, Arghya Choudhury+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用 103

一句话总结

本文通过简化有效拉格朗日框架，研究了ATLAS与CMS在LHC Run II中观测到的750 GeV双光子共振态过剩，假设自旋-0共振态通过圈图过程与光子和胶子耦合。研究发现，具有大Yukawa耦合和特定量子数的费米子中介子比标量更适用于解释该过剩，尤其当共振态具有较宽宽度（约45 GeV）时；并识别出未来LHC实验中探测关联费米子对的有利参数区域。

ABSTRACT

Both the ATLAS and CMS collaborations have recently observed an excess in the di-photon invariant mass distribution in the vicinity of 750 GeV with a local significance of $\sim3σ$. In this article we try to investigate this excess in the context of a minimal simplified framework assuming effective interactions of the hinted resonance with photons and gluons. We scrutinise the consistency of this observation with possible accompanying yet hitherto unseen signatures of this resonance. Subsequently, we try to probe the nature of new particles, e.g., spin, electric charge and number of colour, etc., that could remain instrumental to explain this excess through loop-mediation.

研究动机与目标

• 研究ATLAS与CMS在LHC Run II中观测到的750 GeV双光子共振态过剩的起源。
• 确定可通过圈图过程介导该共振态的新粒子的量子数（自旋、电荷、色荷）。
• 探讨该共振态与其它LHC搜索结果的一致性，特别是二胶子、ZZ和Zγ通道中的约束。
• 识别出能重现观测到的双光子衰变率，同时满足分支比和宽度实验约束的新物理参数空间。
• 评估在不同宽度假设下，未来LHC实验中探测gg → H_X^* → F̄F过程中新费米子共振态的可能性。

提出的方法

• 构建一个最小有效拉格朗日量，其中H_X通过G^{a}_{\mu\nu}G^{\mu\nu}_{a}H_X和B_{\mu\nu}B^{\mu\nu}H_X项与胶子（\kappa_g）和光子（\kappa_A）耦合。
• 推导出H_X → γγ和H_X → gg的分支比，分别与\kappa_A^2 \cos^4\theta_W和8\kappa_g^2成正比，已考虑相空间和色因子。
• 推导出Br(H_X → γγ)与Br(H_X → gg)之间的模型无关关联，其依赖于总宽度\Gamma_X。
• 通过圈图贡献分析费米子和标量中介子，通过调节耦合强度g_{FFH_X}和质量M_F以重现观测到的双光子衰变率。
• 在M_F–g_{FFH_X}平面上评估\Gamma_X = 1 GeV和\Gamma_X = 45 GeV时的gg → H_X^* → F̄F生产截面。
• 将LHC搜索结果的约束转化为对\kappa_g和\kappa_A的限制，并为不同中介子类型绘制相应的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些量子数（自旋、电荷、色表示）的新粒子可通过圈图过程介导750 GeV双光子共振态？
• RQ2 Br(H_X → γγ)与Br(H_X → gg)之间的关联如何？这对总宽度\Gamma_X施加了何种约束？
• RQ3 为何费米子中介子比标量中介子更有利于解释观测到的双光子过剩？
• RQ4 在何种条件下，gg → H_X^* → F̄F过程在未来的LHC运行中最具可探测性？
• RQ5 观测到的衰变宽度（\Gamma_X ∼ 1 GeV或45 GeV）如何影响新费米子耦合的可行参数空间？

主要发现

• 对于具有较宽宽度（\Gamma_X ∼ 45 GeV）的共振态，费米子中介子比标量中介子更有利于重现观测到的双光子过剩。
• 当\Gamma_X = 45 GeV时，H_X → γγ与H_X → gg分支比的可行参数空间被限制在较小的M_F和较大的g_{FFH_X}范围内，从而增强gg → H_X^* → F̄F的产生幅度。
• Br(H_X → γγ)与Br(H_X → gg)之间的关联是模型无关的，但依赖于宽度，当\Gamma_X = 45 GeV时，Br^2(γγ × gg) ∼ \mathcal{O}(10^{-5})。
• 对于窄宽度（\Gamma_X = 1 GeV），由于g_{FFH_X}较小或M_F较大导致抑制，gg → H_X^* → F̄F的截面不具前景。
• 观测到的共振宽度\Gamma_X ∼ 45 GeV与通过重费米子圈图衰变的机制一致；而仅基于13 TeV数据得到的10.6 GeV宽度与观测到的衰变率兼容性较差。
• 本研究表明，若该共振态持续存在，可能是更广泛的新物理谱系的首个迹象，尚有更重的态有待发现。