[论文解读] Diboson Excesses Demystified in Effective Field Theory Approach

Doojin Kim, Kyoungchul Kong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用 16

一句话总结

本文通过有效场论方法研究了ATLAS在约2 TeV处的二体规范玻色子衰变过剩是否可能源于单一中性共振态。研究涵盖了自旋-0、自旋-1和自旋-2共振态，包括CP偶和CP奇量子数，表明除CP奇自旋-2外，所有情形均可容纳实验数据，并预测在$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$和$h\gamma$等通道中存在额外信号，这些信号可在LHC运行II阶段进行检验。

ABSTRACT

We study the collider implication of a neutral resonance which decays to several diboson final states such as $W^+W^-$, $ZZ$, and $Zγ$ via a minimal set of effective operators. We consider both CP-even and CP-odd bosonic states with spin 0, 1, or 2. The production cross sections for the bosonic resonance states are obtained with the effective operators involving gluons (and quarks), and the branching fractions are obtained with the operators responsible for the interactions with electroweak gauge bosons. We demonstrate that each scenario allows for a broad parameter space which could accommodate the recently-reported intriguing excesses in the ATLAS diboson final states, and discuss how the CP states and spin information of the resonance can be extracted at the LHC run II.

研究动机与目标

• 通过单一中性共振态解释ATLAS在约2 TeV处$W^+W^-$、$W^\pm Z$和$ZZ$末态中的二体规范玻色子过剩，避免引入两个重态。
• 研究是否一组最小的有效算符可描述不同自旋和CP量子数情形下的观测过剩。
• 识别可模型无关预测的信号（尤其是$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$和$h\gamma$等额外末态），以便在LHC上区分不同共振态类型。
• 评估每种共振态类型（自旋-0、1、2；CP偶/奇）在单位性与宽度约束下的物理可行性。
• 提供对自旋和CP量子数敏感的运动学可观测量，以指导LHC运行II阶段的未来实验分析。

提出的方法

• 采用有效场论（EFT）框架，使用一组最小的维数-6算符，将新共振态与胶子（用于产生）和电弱规范玻色子（用于衰变）耦合。
• 根据自旋（0、1、2）和CP性质（偶或奇）对共振态分类，利用场强张量和对偶张量构建各类情形的相互作用拉格朗日量。
• 通过涉及$G_{\mu\nu}^a G^{a\mu\nu}$和$F_{\mu\nu}^Y F^{Y\mu\nu}$等算符的算符，计算通过胶子融合和夸克-反夸克湮灭的产生截面。
• 利用从洛伦兹不变矩阵元导出的解析公式计算部分衰变宽度，其中相空间函数${\cal F}$、${\cal G}$和${\cal H}$分别对应标量、赝标量和张量共振态。
• 在耦合强度和共振态质量参数空间中进行扫描，以寻找与观测到的ATLAS过剩及现有LHC约束一致的区域。
• 提出对自旋和CP量子数敏感的运动学分布（如不变质量、衰变产物之间的角相关性），以在数据中区分不同共振态类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一中性共振态（自旋0、1或2，具有不同CP性质）能否解释约2 TeV处$W^+W^-$、$W^\pm Z$和$ZZ$末态中同时出现的二体规范玻色子过剩？
• RQ2 在单位性、味改变中性流（FCNC）约束和LHC限制下，哪些自旋和CP构型是可行的？
• RQ3 每种共振态情景预测了哪些额外衰变末态（如$Z\gamma$、$\gamma\gamma$、$hZ$、$h\gamma$）？这些末态如何用于检验该模型？
• RQ4 末态粒子之间的运动学关联（如不变质量、角相关性）如何帮助确定共振态的自旋和CP量子数？
• RQ5 CP奇自旋-2共振态是否因产生机制被强烈抑制而被排除？若是，原因是什么？

主要发现

• 在有效场论框架下，所有自旋-0、自旋-1和CP偶自旋-2共振态情景均可在不违反现有约束的前提下容纳ATLAS二体规范玻色子过剩。
• CP奇自旋-2共振态因通过胶子融合或夸克-反夸克湮灭的产生截面被强烈抑制，导致其与观测到的信号强度不兼容，因而不被支持。
• CP奇矢量共振态可能与单位性上限存在张力，表明其在2 TeV尺度下可能不可行。
• CP偶标量和CP偶张量共振态在$Z\gamma$和$\gamma\gamma$末态中预测可观测信号，可在LHC运行II阶段探测。
• 矢量共振态在$hZ$和$h\gamma$末态中预测次主导但可观测的信号，为实验提供了额外判据。
• 如不变质量与衰变产物间角相关性等运动学分布对共振态的自旋和CP量子数敏感，可有效用于区分不同模型。