[论文解读] How the $\gamma \gamma$ Resonance Stole Christmas

Nathaniel Craig, Patrick Draper+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 1

一句话总结

本文研究了重矢量双 gauge 玻色子共振态——特别是 $γ\gamma$ 通道——这些共振态可能解释 LHC 数据中的异常现象。通过分析 $WW$、$ZZ$ 和 $\gamma\gamma$ 通道中的衰变比和极化分数，本文识别出新型强相互作用带电物质的信号，并预测了在 LHC 或未来对撞机上可探测到的额外共振态。

ABSTRACT

The experimental and theoretical implications of heavy digauge boson resonances that couple to, or are comprised of, new charged and strongly interacting matter are investigated. Observation and measurement of ratios of the resonant digauge boson channels $WW$, $ZZ$, $\gamma \gamma$, $Z \gamma$, and $gg$ in the form of dijets, provide a rather direct -- and for some ratios a rather robust -- probe of the gauge representations of the new matter. For a spin-zero resonance with the quantum numbers of the vacuum, the ratios of resonant $WW$ and $ZZ$ to $\gamma \gamma$ channels, as well as the longitudinal versus transverse polarization fractions in the $WW$ and $ZZ$ channels, provide probes for possible mixing with the Higgs boson, while di-Higgs and ditop resonant channels, $hh$ and $tt$, provide somewhat less sensitivity. We present a survey of possible underlying models for digauge boson resonances by considering various limits for the mass of the new charged and strongly interacting matter fields as well as the confinement scale of new hypergauge interactions under which they may also be charged. In these limits, resonances may be included as elementary weakly coupled spin-zero states or can correspond to hyperglueballs, hyperonia, or pseudoscalar hypermesons. For each of these cases, we make predictions for additional states that could be resonantly or pair produced and observed at the Large Hadron Collider or in future collider experiments. Heavy digauge boson resonances can provide a unified explanation for a number of small discrepancies and excesses in reported data from the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 研究重矢量双 gauge 玻色子共振态与新带电强相互作用物质耦合的实验与理论影响。
• 评估共振二胶子道衰变道（$WW$、$ZZ$、$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$gg$）的比值如何探测新物质的规范表示。
• 探索在新粒子质量与束缚尺度不同极限下，此类共振态的模型无关现象学信号。
• 在超胶球、超介子或赝标量超介子的背景下，识别潜在的共振态或成对产生态。
• 通过单一重双 gauge 共振态框架，统一解释 LHC 数据中多个微小偏差。

提出的方法

• 将 $WW$、$ZZ$、$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$gg$ 等二胶子衰变道的比值作为探测新物质规范表示的探针。
• 研究 $WW$ 和 $ZZ$ 衰变中纵向与横向极化分数，以探测与希格斯玻色子的混合。
• 考虑新带电强相互作用场的极限情况，包括超规范相互作用的束缚尺度。
• 根据模型极限，将共振态分类为基本自旋零态、超胶球、超介子或赝标量超介子。
• 预测在 LHC 或未来对撞机上可观测到的额外共振态与成对产生态。
• 使用有效场论与基于对称性的推理，建立共振态耦合与衰变模式的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种程度上，$WW$、$ZZ$ 与 $\gamma\gamma$ 二胶子衰变道的比值可约束新强相互作用物质的规范量子数？
• RQ2 在 $WW$ 与 $ZZ$ 衰变中，纵向与横向极化分数在多大程度上可揭示新共振态与希格斯玻色子的混合？
• RQ3 在双 gauge 共振态搜索中，超胶球、超介子与赝标量超介子具有哪些独特的现象学信号？
• RQ4 在新粒子质量与束缚尺度的不同极限下，会预测哪些额外的共振态或成对产生态？
• RQ5 重双 gauge 共振态是否能为 LHC 数据中多个微小过剩与偏差提供统一解释？

主要发现

• $\gamma\gamma$ 通道为探测新物质规范表示提供了直接且稳健的探针，尤其当与 $WW$ 和 $ZZ$ 比值结合时更为有效。
• $WW$ 与 $ZZ$ 衰变中的极化分数为探测新共振态与希格斯玻色子之间的混合提供了高灵敏度探针。
• 与 $WW$、$ZZ$ 和 $\gamma\gamma$ 通道相比，双希格斯（$hh$）与顶夸克（$tt$）共振道的敏感度较低。
• 在新带电场质量较重且超规范相互作用强烈束缚的极限下，共振态可被描述为超胶球、超介子或赝标量超介子。
• 该模型预测，在不同新物理 sector 动力学下，LHC 上可观测到额外的共振态与成对产生态。
• 重双 gauge 玻色子共振态可同时解释 LHC 数据中多个微小异常，提示存在统一的现象学框架。