[论文解读] Diphoton excess at 750 GeV in an extended scalar sector

Shinya Kanemura, Naoki Machida+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 38

一句话总结

本文提出对标准模型的最小扩展，包含一个750 GeV的单态标量玻色子，通过维度五算符与顶夸克耦合，并通过多重带电标量玻色子的圈图衰变为二 photon。该模型在不违反微扰幺正性或电荷不破对称性的情况下，解释了LHC Run II中观测到的二 photon过剩，信号截面约为5–9 fb，宽度约为45 GeV，γγ衰变分支比为0.6–3.5%。

ABSTRACT

We discuss an extended scalar model which explains the recent results of diphoton excess at 750 GeV at LHC Run II experiments. An additional singlet scalar boson with the mass of 750 GeV, which couples to top quarks via a dimension five operator, is produced via gluon fusion and decays into two photons via loop contributions of a number of (multiply) charged scalar bosons. Origin of such a dimension five operator would be, for example, in the context of composite Higgs models. The excess can be explained without contradicting the data from LHC Run I and also theoretical consistencies such as perturbative unitarity and charge non-breaking.

研究动机与目标

• 通过扩展的标量场 sector 解释LHC Run II数据中最近观测到的750 GeV二光子过剩。
• 构建一个模型，重现观测到的信号截面（约5–9 fb）和总宽度（约45 GeV），且不与LHC Run I数据冲突。
• 通过满足微扰幺正性和电荷不破对称真空条件，确保理论一致性。
• 探讨多重带电标量玻色子在通过圈图介导二光子衰变中的作用。
• 识别潜在的间接信号，如带电Higgs玻色子或Zγ衰变，以供未来LHC搜索。

提出的方法

• 引入一个质量为750 GeV的实单态标量场S，通过源自复合Higgs类似机制的维度五算符与顶夸克耦合。
• 为简化起见，假设S与多个带电标量场之间存在三线耦合，且质量简并、耦合统一。
• 利用有效拉格朗日量和顶夸克圈贡献，计算LHC中S的胶子融合产生截面。
• 通过包含带电标量玻色子的圈图计算二光子衰变宽度，圈贡献按带电态数量（r）缩放。
• 利用微扰幺正性和电荷不破对称真空稳定性理论约束来限制模型。
• 通过将预测的信号强度和分支比与ATLAS和CMS在95%置信水平下的数据对比，评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个通过维度五算符与顶夸克耦合的750 GeV单态标量玻色子，能否解释LHC Run II中观测到的二光子过剩？
• RQ2 为满足微扰幺正性，达到观测到的二光子信号强度，所需带电标量态数量（r）是多少？
• RQ3 该模型如何避免与LHC Run I中顶夸克对和Higgs玻色子产生数据的冲突？
• RQ4 该模型所预测的多重带电标量态的物理解释特征是什么？
• RQ5 该模型是否还能解释其他现象，如辐射中微子质量生成或强一阶电弱相变？

主要发现

• 该模型在95%置信水平下重现了观测到的约5–9 fb的二光子信号截面，与ATLAS和CMS数据一致。
• 750 GeV共振态的总宽度自然约为45 GeV，与观测值匹配。
• S → γγ的分支比被限制在0.6–3.5%之间，具体取决于带电标量态数量（r）及其质量（m±）。
• 当m± = 400 GeV时，r = 25、50和65均满足微扰幺正性和电荷不破对称性约束。
• 当m± = 600 GeV时，仅r = 65在相同理论约束下可行。
• S的主导衰变模式为tt̄，分支比超过95%，确保与顶夸克对产生数据无冲突。