[论文解读] Enhanced color gauge invariance and a new di-photon state at the LHC

Stephon Alexander, Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 5

一句话总结

该论文提出，LHC 观测到的 750 GeV 二光子共振态可能是由增强的 SL(3,C) 规范对称性超越 SU(3) 色规范所导致的两个重胶子的色单态束缚态，其内部度量动态地将 SL(3,C) 破坏为 SU(3)，并赋予 E-玻色子质量。该框架自然地实现了 E-宇称守恒，要求重胶子成对产生，从而导致与矢量夸克的五维耦合，使共振态能够衰变为二光子，同时与胶子融合及衰变率的实验限制保持一致。

ABSTRACT

We propose to interpret the possible resonance seen in di-photons at the LHC at 750 Gev as a bound state of a new pair of heavy gluons associated with an enhanced color gauge invariance. These have a conservation law which enforces their production and decay in pairs and hence requires that the leading coupling to quarks is quadratically through a dimension 5 operator. One way to realize these hypotheses is if the SU(3) color gauge invariance is enhanced to SL(3, C), while at the same time promoting the internal metric, which picks out what is a unitary transformation, to a dynamical degree of freedom. This theory was first proposed by Cahill[3], Dell[4], Kim and Zee[5], and Julia and Luciani[6]. The dynamical internal metric spontaneously breaks SL(3,C) to SU(3) giving a mass to the vector bosons associated with the generators in SL(3,C)/SU(3). The coupling to the internal metric also ensures that the energy is bounded from below. The new state is produced by gluon fusion and decays to a pair of photons via a direct coupling to a new set of vector quarks allowed by the symmetries.

研究动机与目标

• 将 LHC 数据中观测到的 750 GeV 二光子共振态解释为标准模型之外的新物理态。
• 解决一个宽度较窄但二光子衰变宽度较大的共振态，同时抑制主要的胶子衰变模式的挑战。
• 提出一个基于增强 SL(3,C) 色规范不变性的理论框架，引入动态内部度量以稳定哈密顿量并实现自发对称性破缺。
• 确保共振态仅通过五维算符与夸克耦合，与 E-宇称守恒及观测到的部分宽度一致。
• 在现有 LHC 对矢量夸克质量及胶子融合截面的限制下，探讨该模型的可行性。

提出的方法

• 将 SU(3) 色规范对称性扩展为 SL(3,C)，将内部度量 q 提升为动力学自由度。
• 通过内部度量实现 SL(3,C) 到 SU(3) 的自发对称性破缺，使 SL(3,C)/SU(3) coset 中的 E-玻色子获得质量 M。
• 引入 E-宇称对称性，禁止单个 E-玻色子态，强制要求成对产生/湮灭，确保共振态为两个 E-玻色子的束缚态。
• 构建一个五维算符以实现共振态与夸克的耦合，该算符源于保持 E-宇称的 E-玻色子与矢量夸克的相互作用。
• 利用动态内部度量确保哈密顿量有下界，避免非紧致 SL(3,C) 理论中的不稳定性。
• 计算 S → γγ 和 S → gg 的衰变宽度，使用与 (g² + f²)² 和 αₛ³ 成比例的耦合强度，并与 LHC 数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV 二光子共振态能否被解释为由增强的 SL(3,C) 规范对称性产生的两个重胶子的束缚态？
• RQ2 在 SL(3,C) 规范理论中引入动态内部度量是否能提供一种一致的自发对称性破缺与 E-玻色子质量生成机制，而无需 Higgs 场？
• RQ3 SL(3,C)/SU(3) 的结构所导致的 E-宇称守恒如何约束共振态与夸克的耦合，并抑制主要的胶子衰变模式？
• RQ4 观测到的约 5 fb 的二光子衰变宽度是否与模型对矢量夸克耦合强度的预测以及胶子衰变的抑制要求一致？
• RQ5 在当前 LHC 限制下，该模型是否仍具可行性，特别是矢量夸克质量的 4.4 TeV 下限和胶子融合截面的上限？

主要发现

• 该模型预测的二光子衰变宽度与观测到的约 5 fb 的截面一致，前提是无量纲耦合强度为量级 1。
• 二光子与胶子衰变宽度之比 R = Γ(S→γγ)/Γ(S→gg) 估计大于 1/200，与实验限制一致。
• 所需矢量夸克质量标度 m_q 必须满足 m_q/M > 12，且模型允许 m_q/M > 20，与矢量夸克质量的 4.4 TeV 下限兼容。
• 共振态宽度估计约为 0.5 MeV，与 750 GeV 峰的观测窄宽度一致。
• 由于 E-宇称，该模型自然地实现了五维算符与夸克的耦合，抑制了树图级夸克耦合，确保共振态通过胶子融合产生。
• 由于动态内部度量，该理论确保哈密顿量有下界，解决了非紧致规范理论中的潜在不稳定性问题。