[论文解读] LHC diphoton excess in a left-right symmetric model with minimal dark matter

Sanjib Kumar Agarwalla, Kirtiman Ghosh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文提出一个左右对称模型，其中包含一个费米子五重态，该模型提供了一个可行的暗物质候选者（中性组分），同时增强750 GeV标量共振态的圈图诱导双光子耦合。带电五重态组分显著提升了光子-光子衰变宽度，成功通过光子-光子融合解释了LHC双光子过剩的观测截面与宽度，暗物质质量自然约为375 GeV，且在 $ m_{Z_R} \sim 7 $ TeV时与LUX直接探测约束一致。

ABSTRACT

We construct a model containing a viable dark matter candidate, in the framework of left-right symmetry, which can explain both width and cross-section of the observed 750 GeV diphoton excess at the LHC. We introduce a fermion quintuplet whose neutral component can be a possible dark matter candidate, whereas the charged components enhance the loop induced coupling of a 750 GeV singlet scalar with a pair of photons. We study the photo-production of the singlet scalar and its various decay modes, successfully addressing both the ATLAS and the CMS diphoton excess.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS在LHC观测到的750 GeV双光子过剩，该现象在双光子不变质量中表现出显著过剩，宽度较大（约45 GeV），信号强度约为5 fb。
• 在 $ SU(3)_C \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L} $ 的左右对称规范群下，提供一个与宇宙学遗迹密度和直接探测约束一致的可行暗物质候选者。
• 通过优先选择光子-光子融合而非胶子-胶子融合作为主要产生模式，缓解大双光子宽度与初始态辐射抑制之间的矛盾。
• 构建一个最小暗物质模型，其中矢量型费米子五重态的中性组分作为暗物质粒子，其质量自然约为共振态质量的一半。

提出的方法

• 引入一个750 GeV的实标量单态，通过费米子五重态的带电组分参与圈图过程与光子耦合。
• 利用圈图诱导的耦合 $ \Gamma(\phi \to \gamma\gamma) \propto \sum q_i^2 $，其中 $ q_i $ 为五重态费米子的电荷，以增强双光子宽度。
• 建模LHC中通过光子-光子融合产生标量，使用 $ \sigma(\gamma\gamma \to \phi) \propto \Gamma_{\text{TOT}} \cdot \text{Br}^2(\phi \to \gamma\gamma) $ 估算截面，其中 $ \sigma_0 \approx 240 $ fb。
• 利用 $ SU(2)_R $-规范对称性生成一个重的 $ Z_R $ 玻色子，其介导暗物质-核子散射，并通过 $ \sigma \propto 1/m_{Z_R}^4 $ 抑制截面。
• 采用不同 $ \lambda_\chi $ 和 $ m_{\chi^0} $ 的基准点，计算衰变宽度、散射截面和LHC产生率。
• 与LUX直接探测实验进行一致性检验，表明当 $ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV 且 $ m_{Z_R} \sim 7 $ TeV 时，该模型是可接受的。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含费米子五重态的左右对称模型能否同时解释ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子过剩的截面与宽度？
• RQ2 矢量型费米子五重态的中性组分是否能提供一个与观测到的遗迹密度和直接探测约束一致的可行暗物质候选者？
• RQ3 光子-光子融合能否在抑制初始态辐射的前提下解释双光子过剩，与胶子-胶子融合形成对比？
• RQ4 费米子五重态的带电组分在增强750 GeV标量与光子的圈图耦合中起什么作用？
• RQ5 五重态费米子的质量分裂与衰变模式如何影响对撞机信号特征及LHC的可探测性？

主要发现

• 750 GeV标量共振态可通过光子-光子融合在13 TeV LHC上产生，截面约为4.0 fb，与观测到的信号强度一致。
• 双光子衰变宽度 $ \Gamma_{\gamma\gamma} \approx 0.73 $ GeV 由带电费米子五重态增强，其贡献与电荷平方成正比，解释了观测到的宽宽度。
• 费米子五重态的中性组分，质量为 $ m_{\chi^0} \approx 375 $ GeV，作为可行的暗物质候选者，其遗迹密度与WMAP/Planck数据一致。
• 暗物质-核子散射截面通过 $ 1/m_{Z_R}^4 $ 抑制，当 $ m_{Z_R} \approx 7 $ TeV 时，该模型仍与LUX直接探测限制一致。
• 该模型预测了显著的多轻子信号（如4个或更多同号轻子），来自带电五重态费米子的对产生，尽管由于质量分裂较小，轻子通常能量较软。
• 对于一个基准点，总衰变宽度 $ \Gamma_{\text{TOT}} \approx 31.9 $ GeV 确保了宽共振态，与ATLAS观测到的宽度相符。