[论文解读] Diphoton Revelation of the Utilitarian Supersymmetric Standard Model

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 23

一句话总结

本文提出，2002 年提出的超对称标准模型的 U(1)X 规范扩展——最初旨在解决 μ 问题并守恒重子数/轻子数——可自然解释 ATLAS 实验观测到的 750 GeV 二光子过剩。作为 μ 项替代物并耦合轻子-夸克子的单态标量 S3，可实现胶子融合产生与圈图诱导的二光子衰变，从而在同时预测暗物质与味物理异常的模型中，为该过剩提供一致且可预测的解释。

ABSTRACT

In 2002, I proposed a unique $U(1)$ extension of the supersymmetric standard model which has no $μ$ term and conserves baryon number and lepton number separately and automatically. This model, ${without~any~change}$, has all the necessary and sufficient ingredients to explain the possible 750 GeV diphoton excess, observed recently by the ATLAS Collaboration at the Large Hadron Collider (LHC). It is associated with the superfield which replaces the $μ$ parameter. If confirmed and supported by subsequent data, it may even be considered as the first evidence for supersymmetry.

研究动机与目标

• 证明此前提出的 2002 年 U(1)X 超对称标准模型扩展可解释 ATLAS 观测到的 750 GeV 二光子过剩。
• 表明该模型现有的粒子内容——特别是单态标量 S3 和轻子-夸克子超多重态——提供了二光子产生与衰变所需的必要要素。
• 论证该模型自动守恒重子数与轻子数，并具有无异常结构，使其成为标准模型之外新物理的有力候选。
• 确立该二光子信号可能是超对称的第一个间接证据，因为 S3 在模型中取代了 μ 参数。
• 通过模型预测的粒子与耦合，将二光子过剩与暗物质及 LHC 味物理异常联系起来。

提出的方法

• 该模型通过引入 U(1)X 规范对称性扩展 MSSM，并引入一个单态标量超多重态 S3，以取代 μ 项，从而消除对双线性 μ 项的需求。
• 超势包含如 S3UUc、S3DDc 和 S3ϕ1ϕ2 等三线性项，使 S3 可通过胶子融合实现圈图级产生，且可通过圈图衰变为两个光子。
• 通过十一项立方项的精确因式分解确保异常抵消，导出两类解，自动守恒 B 与 L。
• Z′ 规范玻色子（Z_X）通过 S1、S2、S3 与 φ1、φ2 的真空期望值获得质量，其混合受 tanβ = 1 抑制，与精确电弱数据一致。
• 由 U(1)X 电荷导出的分支比 Γ(Z_X → tt̄)/Γ(Z_X → μ⁺μ⁻) = 27/5，使其可与其它 Z′ 模型区分。
• S3 标量耦合至轻子-夸克子（U、Uc、D、Dc）与 φ1、φ2，可衰变为 γγ、ZZ、Zγ 及隐形末态，包括至暗 sector 状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 中 750 GeV 二光子过剩能否由一个既存的超对称模型解释，而无需人为添加？
• RQ2 2002 年 U(1)X 模型中的单态标量 S3 是否具备足够的耦合以实现圈图级胶子融合产生与二光子衰变？
• RQ3 观测到的二光子信号是否与模型预测一致：即 S3 取代 μ 参数并耦合至轻子-夸克子？
• RQ4 该模型的 Z_X 规范玻色子能否通过其对费米子的特定耦合与其它 Z′ 模型区分开来？
• RQ5 该模型预测 S3 衰变为隐形末态，是否将二光子过剩与暗物质联系起来？

主要发现

• 750 GeV 二光子过剩可由 2002 年 U(1)X 模型中的单态标量 S3 解释，该标量取代了 μ 项，并通过三线性项耦合至轻子-夸克子。
• S3 标量通过涉及轻子-夸克子超多重态 U、Uc、D、Dc 的圈图实现胶子融合产生，机制与希格斯玻色子相同。
• S3 通过包含相同轻子-夸克子与希格斯ino 类耦合的圈图衰变为两个光子，其衰变率因色单态带电 ϕ 费米子的贡献而增强。
• 该模型预测 Z_X → tt̄ 相对于 Z_X → μ⁺μ⁻ 的分支比为 27/5，是 LHC 检测的显著特征。
• S3 标量可衰变为 ZZ 与 Zγ，其衰变率与 γγ 相当，其隐形宽度因衰变为 S1S2 或暗 sector 状态而增强。
• 若将 S3 识别为 750 GeV 二光子共振态，则意味着超对称真实存在，因为 S3 在模型中取代了 μ 参数。