[论文解读] Hypercharge Axion and the Diphoton $750$ GeV Resonance

Ido Ben-Dayan, Ram Brustein|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 20

一句话总结

本文提出超荷轴子（HCA）作为对大型强子对撞机（LHC）运行2期间观测到的750 GeV二光子共振态的最小解释，其中HCA与超荷场强张量耦合，并由于温伯格角而主要衰变为两个光子。该模型以耦合尺度M ~ TeV拟合了观测到的事件率，但揭示了报告宽度（~45 GeV）与截面之间的张力，表明实际宽度可能更窄或产生产率高于测量值。

ABSTRACT

The CMS and ATLAS reports on a possible excess of diphoton events at $750$ GeV are the cause of great excitement and hope. We show that a pseudoscalar axion coupled to the topological density of hypercharge, suggested in the past by Brustein and Oaknin as a candidate for inducing baryogenesis, can explain the signal in the diphoton channel. The hypercharge axion (HCA) can also decay to $Zγ$ and $ZZ$. The expected number of events in these channels is too small to have been detected, but such decays should be observed in the future. The HCA can be produced via vector boson fusion (VBF) or via associated production (AP). The latter should be manifested by a characteristic decay to 3 photons which should be observed soon. We adapt the previous analysis of possible detection of the HCA at the LHC by Brustein and Oaknin and by Elfgren to the case that the mass of the HCA is 750 GeV and find the expected cross section and decay width in terms of the HCA coupling. We find that the expected cross-section fits well the observed number of excess events and that there is tension between the measured cross-section and the reported partial decay width. The tension is caused because for both VBF and AP the production cross-section and the decay width depend linearly on each other. We therefore expect that if the new resonance is indeed the HCA, either its width should be significantly smaller than the reported width or the production cross-section should be significantly higher than the reported one.

研究动机与目标

• 通过标准模型的最小扩展解释ATLAS和CMS数据中观测到的750 GeV二光子共振态。
• 解决测量到的二光子截面与共振态部分宽度报告值之间的张力。
• 检验超荷轴子（HCA）是否能解释该信号，同时与运行I及其他衰变道的约束保持一致。
• 预测关联产生（AP）和矢量玻色子融合（VBF）过程中的可观测信号，特别是三光子末态。
• 评估HCA模型与现有LHC数据的兼容性以及未来探测前景。

提出的方法

• 将先前对HCA产生与衰变的分析适配至750 GeV共振态质量，采用规范单重态与超荷拓扑密度耦合的有效场论。
• 通过矢量玻色子融合（VBF）和关联产生（AP）通道计算产生截面，两者均与HCA耦合常数线性相关。
• 利用温伯格角确定γγ、Zγ和ZZ模式的衰变宽度，其中γγ主导源于超荷异常抵消。
• 利用截面与宽度之间的关系——两者均与同一耦合参数M成正比——来检验与实验数据的一致性。
• 评估三光子末态的预期信背比，利用角分布（1 + cos²θγ）区分QED背景。
• 评估高亮度LHC运行的必要性，以探测Z玻色子衰变道，从而确认其与超荷的耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 超荷轴子（HCA）是否能在不引入额外新粒子的情况下解释750 GeV二光子过量？
• RQ2 为何观测到二光子信号而Zγ或ZZ通道中无显著信号？HCA模型能否解释这一现象？
• RQ3 测量截面与共振态报告部分宽度（~45 GeV）之间的一致性如何？
• RQ4 在阈值抑制和部分子分布效应下，HCA模型能否调和运行I中无信号与运行2中过量之间的矛盾？
• RQ5 关键实验信号（特别是三光子末态和前向喷注）是什么，可在大型强子对撞机中确认HCA模型？

主要发现

• 质量为750 GeV、耦合尺度M ~ TeV的HCA模型可重现观测到的二光子事件率，σ × BR(γγ) ≈ 9 fb (TeV/M)²，与实验估计值（~7 ± 5 fb）一致。
• 报告宽度（Γ ≈ 45 GeV，ATLAS）与测量截面之间存在张力，因两者均与同一耦合参数M线性相关。
• ATLAS的宽度估计要求M ≈ 215 GeV，而CMS偏好的宽度（≈20 GeV）要求M ≈ 320 GeV，两者均与拟合截面所需的TeV量级M不一致。
• 作者预计未来数据将使宽度缩小至几GeV，从而解决该张力，使模型在理论上更具可行性。
• 关联产生通道（AP）预测将产生具有各向同性角分布的显著三光子末态，是确认该模型的关键信号。
• VBF通道需要探测初始态部分子产生的前向喷注，为区分HCA与SM QED背景提供了互补信号。