[论文解读] Heavy Leptonium as the Origin of the 750 GeV Diphoton Excess

Neil D. Barrie, Archil Kobakhidze+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 8

一句话总结

该论文提出，早期LHC Run 2数据中观测到的750 GeV二光子过剩源自一种具有超荷 $ Y_L \approx 4.8-7.2 $ 的重矢量型轻子的标量对轻子偶素束缚态，其主要通过光子-光子融合产生，并衰变为两个光子。该模型预测存在一个伴随的自旋-1正轻子偶素态，其可衰变为 $ W^+W^- $、费米子对及三光子，该态的二轻子衰变可作为确凿的检验信号。

ABSTRACT

We propose a hypothetical heavy leptonium, the scalar bound state of an exotic lepton-antilepton pair, as a candidate for the recent 750 GeV resonance in the early LHC Run 2 data. Such a para-leptonium is dominantly produced via photon-photon fusion at the LHC and decays into a photon pair with a significant branching fraction. In addition, our model predicts a companion spin-1 ortho-leptonium bound state, which can decay to $W^+W^-$, $f\bar{f}$ and three photons. Under the LHC and the electroweak precision observables bounds, we find that the observed excess of 750 GeV diphoton events can be explained within $2σ$ accuracy for $Y_{L} \approx 4.8 - 7.2$ for the minimal case in our scenario. The observation of the ortho-leptonium in the dilepton channel will be the smoking gun for our scenario.

研究动机与目标

• 通过一种新的理论框架解释早期LHC Run 2数据中观测到的750 GeV二光子过剩。
• 识别一种矢量型轻子的标量对轻子偶素束缚态作为产生二光子信号的共振态。
• 确保与电弱精确可观测量及LHC对奇异态的约束一致。
• 预测一个具有独特衰变道的伴随自旋-1正轻子偶素态，以供实验验证。

提出的方法

• 将重轻子建模为具有超荷 $ Y_L $ 的矢量型、弱同位旋单态，通过非相对论量子力学形成标量对轻子偶素。
• 使用带有库仑势 $ V(r) = -Y_L^2\alpha / r $ 的薛定谔方程计算对轻子偶素态的结合能与质量。
• 利用矩阵元和波函数在原点的值 $ |\psi_{\text{para}}(0)|^2 $，计算 $ \gamma\gamma \to \psi_{\text{para}} \to \gamma\gamma $ 的光致产额截面。
• 利用湮灭振幅和 $ |\psi_{\text{para}}(0)|^2 $ 计算衰变宽度 $ \Gamma_{\psi_{\text{para}} \to \gamma\gamma} $，并施加LHC数据的约束。
• 引入相对论性的Breit修正以提高质量预测的准确性。
• 评估来自LHC二轻子搜寻及电弱精确可观测量的约束，允许总宽度高达45 GeV以放宽约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过奇异矢量型轻子的重标量对轻子偶素束缚态解释LHC中750 GeV二光子过剩？
• RQ2 为使对轻子偶素产生观测到的二光子截面在 $ 2\sigma $ 范围内，所需的超荷 $ Y_L $ 是多少？
• RQ3 该模型是否预测了一个可被探测到的自旋-1正轻子偶素态，其衰变为二轻子或三光子末态？
• RQ4 来自电弱精确可观测量及LHC对奇异带电粒子的搜寻如何影响允许的参数空间？
• RQ5 若对轻子偶素因隐形衰变导致总宽度较大，该模型是否仍能与LHC数据保持一致？

主要发现

• 当 $ Y_L \approx 4.8-7.2 $ 时，750 GeV二光子过剩可在 $ 2\sigma $ 精度内得到解释，最小情形下更倾向于 $ Y_L \approx 4.8-5.4 $。
• 对于符合数据的 $ Y_L $ 范围，轻子质量预测值为 $ m_L \approx 375-385 $ GeV。
• 当 $ Y_L \approx 4.8-7.2 $ 时，对轻子偶素的光致产额截面与13 TeV LHC观测到的二光子率一致。
• 该模型预测存在一个自旋-1正轻子偶素态，其可衰变为 $ W^+W^- $、$ f\bar{f} $ 及三光子，提供确凿的信号。
• 若允许对轻子偶素的总宽度高达45 GeV，则LHC二轻子搜寻的约束将被放宽，与ATLAS数据一致。
• 若在二轻子末态中观测到正轻子偶素，将为该模型提供决定性证实。