[论文解读] Implications of Gauge Invariance on a Heavy Diphoton Resonance

Ian Low, Joseph Lykken|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 16

一句话总结

本文研究了作为LHC运行2期间观测到的750 GeV二光子共振态的一种可能解释的重规范单态标量。利用$SU(2)_L \times U(1)_Y$规范不变性，表明其衰变为电弱规范玻色子的分支受到仅两个自由参数的约束，从而实现模型无关的预测：二光子分支比上限约为61%，并假设胶子融合产生机制下，介导该过程的新色荷粒子的质量尺度被限制在小于$1.7\,\text{TeV}$（CP偶）或$2.6\,\text{TeV}$（CP奇），具体取决于事件率。

ABSTRACT

Assuming a heavy electroweak singlet scalar, which couples to the Standard Model gauge bosons only through loop-induced couplings, SU(2)_L x U(1)_Y gauge invariance imposes interesting patterns on its decays into electroweak gauge bosons, which are dictated by only two free parameters. Therefore experimental measurements on any two of the four possible electroweak channels would determine the remaining two decay channels completely. Furthermore, searches in the WW/ZZ channels probe a complimentary region of parameter space from searches in the gamma-gamma/Z-gamma channels. We derive a model-independent upper bound on the branching fraction in each decay channel, which for the diphoton channel turns out to be about 61%. Including the coupling to gluons, the upper bound on the diphoton branching fraction implies an upper bound on the mass scale of additional colored particles mediating the gluon-fusion production. Using an event rate of about 5 fb for the reported 750 GeV diphoton excess, we find the new colored particle must be lighter than O(1.7 TeV) and O(2.6 TeV) for a pure CP-even and a pure CP-odd singlet scalar, respectively.

研究动机与目标

• 探讨750 GeV二光子过量是否可由一个与SM规范玻色子通过规范不变的五维算符耦合的重电弱单态标量解释。
• 确定规范不变性如何约束此类标量衰变为电弱规范玻色子对（如$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$WW$、$ZZ$）的衰变模式。
• 仅利用规范对称性和实验输入，推导出分支比（特别是二光子通道）的模型无关上限。
• 在假设该共振态为主要产生模式的前提下，约束介导胶子融合产生过程的假设色荷粒子的质量尺度。

提出的方法

• 推导在$SU(2)_L \times U(1)_Y$下不变的有效五维算符，通过圈图诱导耦合将单态标量与SM规范玻色子联系起来。
• 将耦合常数$g_{S\gamma\gamma}$、$g_{SZ\gamma}$、$g_{SZZ}$、$g_{SWW}$和$g_{Sgg}$用两个自由参数（$\kappa_W$、$\kappa_B$）和标量质量$m_S$表示。
• 在$m_S \gg m_{W/Z}$极限下，使用部分宽度公式$\Gamma_{V_1V_2} = \frac{N_g \delta_V}{64\pi} |g_{SV_1V_2}|^2 m_S$计算衰变率。
• 应用总分支比必须归一化为1的约束条件，从而得出$\text{BR}(\gamma\gamma)$的模型无关上限约为61%。
• 假设胶子融合为主要产生模式，并将二光子分支比与耦合常数$\kappa_g$关联，通过事件率约束推导出新色荷粒子质量的上限。
• 利用750 GeV过量的5 fb事件率，推导出色荷粒子质量的上限：$m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$（CP偶）和$2.6\,\text{TeV}$（CP奇）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$SU(2)_L \times U(1)_Y$规范不变性下，重电弱单态标量衰变为电弱规范玻色子末态的分支比受到何种模型无关的约束？
• RQ2 此类标量的二光子分支比如何依赖于其底层规范不变耦合？其最大可能值是多少？
• RQ3 若该共振态通过胶子融合产生，可对该过程中介的新色荷粒子的质量尺度施加何种上限？
• RQ4 对色荷粒子质量的约束如何依赖于标量的CP性质（偶或奇）以及对二光子过量事件率的假设？
• RQ5 对$WW/ZZ$末态的测量能否为探测单态标量参数空间提供与$\gamma\gamma/Z\gamma$搜索互补的信息？

主要发现

• 由于规范不变性和幺正性约束，重电弱单态标量的二光子分支比上限约为61%。
• 若对四个电弱衰变通道中的任意两个（$\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$WW$、$ZZ$）进行实验测量，即可通过其规范不变耦合的双参数结构完全确定其余两个通道。
• 与$\gamma\gamma/Z\gamma$搜索相比，对$WW/ZZ$通道的搜索探测了参数空间的互补区域，从而增强了对共振态的整体探测灵敏度。
• 假设750 GeV二光子过量的事件率为5 fb，则介导胶子融合产生过程的新色荷粒子质量被约束为：$m_X \lesssim 1.7\,\text{TeV}$（纯CP偶标量）和$m_X \lesssim 2.6\,\text{TeV}$（纯CP奇标量）。
• 色荷粒子质量的上限对所假设的事件率敏感：若事件率为3 fb，则上限收紧为$\lesssim 2.7\,\text{TeV}$（CP偶）和$\lesssim 3.4\,\text{TeV}$（CP奇）。
• 当$\kappa_W/\kappa_B \approx 0.03 + 32.2 \cdot \kappa_g^2 / \kappa_B^2$时，二光子分支比达到最大值，其值取决于胶子耦合强度以及$\kappa_B$的相对大小。