[论文解读] Leptoquarks: 750 GeV Diphoton Resonance and IceCube Events

Ujjal Kumar Dey, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用 10

一句话总结

该论文提出，具有量子数 $(3,2,7/6)$ 的标量轻子球子 $R_2$ 可统一解释 LHC 数据中观测到的 750 GeV 二光子共振以及 IceCube 探测到的高能 PeV 中微子事例。$R_2$ 轻子球子通过圈图诱导的胶子融合过程产生 750 GeV 标量共振，同时在中微子-核子散射中实现共振产生，当其质量位于 780–900 GeV 之间且耦合常数接近单位值时，能够拟合 IceCube 的 PeV 事例能谱。

ABSTRACT

The recent data from ATLAS and CMS hint at a new resonance at around 750 GeV in the diphoton invariant mass distribution. The explanation of the significantly large cross section for this diphoton resonance requires coloured particles in its loop-induced production via gluon fusion and subsequent decay to diphoton. A natural candidate for the coloured particle is the colour-triplet leptoquark, lying in the mass range 375-1000 GeV, which can account for such large cross section. The leptoquarks in this mass range can also be produced resonantly from neutrino and quark interactions at IceCube and provide an explanation to the PeV-energy neutrino events. In this work, we show that the scalar leptoquark with quantum number $(3,2,7/6)$ can uniquely provide a unified explanation to both the PeV IceCube events and the 750 GeV diphoton resonance.

研究动机与目标

• 使用标量轻子球子模型解释 ATLAS 和 CMS 数据中观测到的 750 GeV 二光子共振。
• 通过中微子-核子散射中的共振轻子球子产生，解释 IceCube 探测到的高能 PeV 中微子事例。
• 在单一标量轻子球子框架下统一解释这两种现象，避免通过树图算符导致的快速质子衰变。
• 识别最符合二光子截面与 IceCube 事例能谱的轻子球子态。

提出的方法

• 引入一个位于 750 GeV 的实单态标量场 $\Phi$ 作为二光子共振，通过一个具有质量量纲的相互作用 $\lambda_s \Phi |\eta|^2$ 与标量轻子球子耦合。
• 利用 $R_2$ 轻子球子通过圈图诱导的胶子融合过程产生 $\Phi$，随后 $\Phi$ 衰变为 $\gamma\gamma$；使用有效拉格朗日量与圈积分计算截面。
• 通过 $R_2$ 轻子球子交换建模 IceCube 中的中微子-核子散射，利用部分子分布函数与 Yukawa 耦合计算截面。
• 通过调节 $m_{LQ}$ 与 Yukawa 耦合 $Y_1^{13}, Y_2^{31}$ 来拟合 IceCube 事例能谱，重点关注 $\nu_\tau$ 与上夸克耦合以避开 LHC 的约束。
• 使用 $\mathscr{R}_{\rm{NC}}$ 与 $\mathscr{R}_{\rm{CC}}$ 比值在事例率计算中分离中性流与带电流贡献。
• 将模拟的事例分布与 IceCube 的 1347 天数据进行比较，评估不同 $m_{LQ}$ 与耦合常数值下的拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些标量轻子球子量子数能够同时解释 750 GeV 二光子共振与 IceCube 的 PeV 中微子事例？
• RQ2 单一轻子球子模型能否在不触发快速质子衰变的前提下，同时解释圈图诱导的二光子产生与共振中微子散射？
• RQ3 轻子球子质量与 Yukawa 耦合的哪些范围最能重现 IceCube 的 PeV 事例能谱？
• RQ4 $R_2$ 轻子球子对第三代轻子与第一代夸克的耦合如何影响其在 LHC 与 IceCube 数据中的可行性？

主要发现

• 具有量子数 $(3,2,7/6)$ 的 $R_2$ 轻子球子唯一满足二光子共振截面与 IceCube PeV 事例数据的双重要求。
• 当 $m_{LQ} \in [780, 900]$ GeV 且 Yukawa 耦合为单位值时，$R_2$ 轻子球子在 PeV 能量范围内对 IceCube 事例能谱提供了良好拟合。
• 该模型通过自然的耦合强度实现圈图诱导的胶子融合，从而解释二光子过量，避免了微调问题。
• $R_2$ 轻子球子避免了树图级的快速质子衰变，并对可能引发衰变的高维算符保持稳定。
• 该模型预测 IceCube 中因 $\nu_\tau$-介导的 $R_2$ 产生而出现独特的 $\tau$-轻子信号，可通过双击事件识别。
• 质量超出 780–900 GeV 的 LQ 仍可通过非单位耦合拟合数据，但最佳一致性出现在该质量窗口内，且 $Y_1^{13} \sim 1$。