[论文解读] Neutrino Mass Generation and 750 GeV Diphoton excess via photon-photon fusion at the Large Hadron Collider

Kirtiman Ghosh, Sudip Jana+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 9

一句话总结

该论文提出一个统一模型，通过一个TeV尺度的电弱二重态-3/2标量多重态和一个电弱单态标量共振态，同时解释LHC中750 GeV的双光子过剩现象与极小的中微子质量。双光子过剩源于光子-光子融合，由多重电荷标量的圈图修正增强，在参数空间的显著区域内成功重现了观测到的3–10 fb截面，同时预测了$ZZ$、$WW$和$hh$末态的可观测截面。

ABSTRACT

We propose a new model for explaining the diphoton excess observed at the LHC. The uniqueness of our model is that this excess is being produced by photon-photon induced sub-process. The model includes an isospin $3/2$ scalar multiplet (having triply, doubly and singly charged scalars) at the electroweak (EW) scale to explain the observed neutrino masses via the effective dimension $7$ operator. The model also include a singlet scalar which is the di-photon resonance. The loop induced coupling of the singlet scalar with a pair of photons is enhanced due to contributions from multi-charged EW-scale scalars (component of isospin $3/2$ multiplet) in the loop. We examine the production of the singlet scalar at the LHC via photon-photon fusion sub-process and its subsequent decay to di-photon. We found that a large part of parameter space of the present model can explain the observed excess of di-photon events at the LHC. We also study the other decay modes of the singlet scalar and the ensuing predictions can be tested in the upcoming runs at the LHC.

研究动机与目标

• 通过强子-强子对撞中胶子融合之外的新产生机制，解释LHC运行2期间观测到的750 GeV双光子过剩。
• 同时利用TeV尺度的维度-7有效算符，解释极小的中微子质量。
• 探讨光子-光子融合作为双光子共振态主要产生通道的可行性。
• 检验模型在其他衰变模式和截面方面的实验约束一致性。

提出的方法

• 引入一个电荷为+3/2、+1/2、-1/2和-3/2的电荷三重态、双重重态和单重重态的电弱二重态-3/2标量多重态，通过维度-7算符生成中微子质量。
• 引入一个电弱单态标量$S$作为750 GeV双光子共振态，其在树图层次上与SM规范玻色子解耦。
• 计算由电弱二重态-3/2多重态中多电荷标量贡献的圈图修正，增强$S\gamma\gamma$耦合。
• 利用光子部分子分布函数和总衰变宽度，估算LHC中$S$的光致产生截面。
• 在$\lambda_{10}$和$\lambda_{11}$参数空间中进行扫描，识别与观测到的3–10 fb双光子过剩一致的区域。
• 评估$S \to \gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$、$hh$、$Z\gamma$、$t\bar{t}$和$gg$的分支比与截面，以检验模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子过剩是否可通过光子-光子融合而非胶子融合机制解释？
• RQ2 一个单一模型能否同时通过维度-7算符解释双光子过剩与生成极小的中微子质量？
• RQ3 多电荷标量在增强$S\gamma\gamma$耦合及实现光致产生中的作用是什么？
• RQ4 单态标量$S$的哪些衰变末态在LHC中具有可观测截面？
• RQ5 $\lambda_{10}$与$\lambda_{11}$的哪些参数空间与观测到的双光子过剩及实验限制一致？

主要发现

• 在$\lambda_{10}$–$\lambda_{11}$参数空间的显著区域（图4中的蓝色阴影区域）成功重现了13 TeV下观测到的3–10 fb双光子过剩。
• 在基准点BP1处，模型预测的双光子分支比高达7.93 fb，与观测过剩一致。
• $hh$、$WW$和$ZZ$末态的截面分别预测为11.26 fb、5.89 fb和约0 fb，均处于可检验范围内。
• $Z\gamma$和$gg$末态的截面分别低于0.3 fb和$10^{-4}$ fb，可忽略不计，且与实验限制一致。
• $t\bar{t}$和$Z\gamma$模式的截面分别预测低于1.5 fb和0.25 fb，远低于观测限制。
• 该模型在单一框架下成功解释了双光子过剩与中微子质量，且未引入与SM规范费米子或玻色子的树图耦合。