[论文解读] Diphoton excess at the LHC Run 2 and its implications for a new heavy gauge boson

Kunio Kaneta, Subeom Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 129被引用 28

一句话总结

本文提出，LHC 运行2期间观测到的750 GeV双光子过剩可能暗示一种新的标量玻色子，该玻色子通过一个规范化的B-L对称性，意味着存在一个TeV量级的Z'规范玻色子。作者表明，在此模型中 gauge 耦合统一的预测表明，Z' 的质量和耦合常数处于LHC 运行2的探测范围内，从而为Z' 提供了一条可行的发现通道，同时伴随该标量玻色子。

ABSTRACT

There is a rapidly growing interest in the diphoton excess around 750 GeV reported by both ATLAS and CMS collaborations during the LHC Run 2 experiments. One of the most natural explanations of this excess could be a new scalar boson with exotic colored particles. In this setup, it is legitimate to ask what is the role of this new scalar in nature. A heavy neutral gauge boson ($Z'$) is one of the traditional targets of the discovery at the collider experiments with numerous motivations. While Landau-Yang theorem dictates the newly reported diphoton excess cannot be this spin-1 gauge boson, there is a strong correlation of a new heavy gauge boson and a new scalar boson which provides a mass to the gauge boson being at the same mass scale. In this paper, we point out a simple fact a new scalar of 750 GeV would suggest an existence of a TeV scale $Z'$ gauge boson that might be within the reach of the LHC Run 2 experiments. We take a scenario of the well-motivated and popular gauged $B-L$ symmetry and require the gauge coupling unification to predict the mass and other properties of the $Z'$ and illustrate the discovery of the $Z'$ is likely to occur during the LHC experiments.

研究动机与目标

• 探讨750 GeV双光子过剩对标准模型之外新物理的启示。
• 研究750 GeV处的新标量玻色子是否可能暗示存在一个重Z'规范玻色子。
• 检验此类情景在具有良好物理动机的B-L对称性模型中与gauge耦合统一的一致性。
• 基于标量的性质和统一要求，预测Z'玻色子的质量和耦合常数。

提出的方法

• 假设存在一个规范化的B-L对称性，该模型引入一个新的U(1)_{B-L}规范群及其对应的Z'规范玻色子。
• 750 GeV处的标量玻色子被引入为一种类似希格斯的态，其通过自发对称性破缺赋予Z'玻色子质量。
• 该模型通过重整化群方程约束Z'的质量和规范耦合常数，要求gauge耦合统一。
• 通过涉及带电的奇异色粒子的圈图计算标量的双光子衰变宽度。
• 评估Z'的产生截面和衰变分支比，以评估其在LHC上的可探测性。
• 通过将预测的衰变率与ATLAS和CMS的实验数据对比，检验该模型与观测到的双光子过剩的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子过剩是否可由一个同时暗示TeV量级Z'玻色子的新标量玻色子来解释？
• RQ2 在B-L对称模型中，gauge耦合统一对Z'玻色子的质量和耦合常数有何影响？
• RQ3 该模型所预测的Z'玻色子是否处于LHC运行2实验的探测范围内？
• RQ4 奇异色粒子如何贡献于750 GeV标量玻色子的双光子衰变？
• RQ5 Landau-Yang定理对双光子共振的自旋-1性质施加了何种约束？

主要发现

• 750 GeV双光子过剩表明，在LHC运行2实验的探测范围内，存在一个TeV量级的Z'规范玻色子。
• 在B-L模型中，gauge耦合统一预测Z'的质量约为1.5–2 TeV，与标量质量量级一致。
• 预测Z'玻色子对夸克和轻子具有显著耦合，使其在Drell-Yan和矢量玻色子融合过程中的信号可被探测到。
• 标量玻色子的双光子衰变由奇异色粒子的圈图介导，这些粒子必须足够重以避免LHC的约束。
• 该模型预测，通过Z'衰变为二轻子或二胶子，在积分亮度为30–100 fb⁻¹的LHC上可实现Z'玻色子的发现。
• 该模型与Landau-Yang定理的一致性得以保持，因为双光子信号由标量（自旋-0）产生，而非Z'（自旋-1）产生。