[论文解读] Photo-production of a 750 GeV di-photon resonance mediated by Kaluza-Klein leptons in the loop

Steven Abel, Valentin V. Khoze|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

该论文提出，LHC观测到的750 GeV双光子共振源自一种自旋为0的标量玻色子，其通过与高维理论中的Kaluza-Klein（KK）轻子耦合而产生，其中通过KK模态的求和，使费曼图中产生的双光子衰变过程得到增强。该模型无需依赖大Yukawa耦合或胶子融合，即可自然解释观测到的双光子衰变率，其机制源于2+1维及更紧凑的额外维度中的KK态塔。

ABSTRACT

We consider the phenomenology of a 750 GeV resonance X which can be produced at the LHC by only photon fusion and subsequently decay into di-photons. We propose that the spin-zero state X is coupled to a heavy lepton that lives in the bulk of a higher-dimensional theory and interacts only with the photons of the Standard Model. We compute the di-photon rate in these models with two and more compact extra dimensions and demonstrate that they allow for a compelling explanation of the di-photon excess recently observed by the ATLAS and CMS collaborations. The central role in our approach is played by the summation over the Kaluza-Klein modes of the new leptons, thus providing a significant enhancement of the $X\ o \\gamma\\gamma$ loops for the production and decay subprocesses. It is expected that the jet activity accompanying these purely electromagnetic (at the partonic level) processes is numerically suppressed by factors such as $\\alpha_{em}^2 C_{q\\bar{q}}/C_{\\gamma\\gamma}\\sim 10^{-3}$.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子共振，而无需依赖胶子融合或大Yukawa耦合。
• 探讨高维理论中的Kaluza-Klein轻子是否能自然增强自旋为0的标量共振态的双光子衰变率。
• 证明在2+1维及更紧凑的额外维度中，KK模态的求和可产生足够大的截面以匹配观测到的8 fb衰变率。
• 表明尽管电磁过程（γγ）受α²em抑制，但通过利用KK模态贡献，其纯电磁产生机制仍具可行性。

提出的方法

• 该模型引入一种仅与U(1)Y超荷电流耦合的自旋为0的标量共振态X，避免与胶子耦合，从而绕过胶子融合的需求。
• X粒子通过额外维度中传播的重Kaluza-Klein轻子圈图实现双光子的产生与衰变。
• 采用高维时空中的场论技术计算振幅，包括Kaluza-Klein模态求和与Schwinger正则时间重整化方法。
• 通过KK模态求和推导出有效耦合，由于贡献态数量庞大，导致γγ衰变率显著增强。
• 利用Poisson求和公式与模不变性处理零点能，确保圈积分的有限性。
• 分析扩展至5D及更高维紧化（d ≥ 2）情形，显式计算了来自KK塔的标量质量修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过仅与光子通过额外维度中Kaluza-Klein轻子耦合的标量玻色子，解释750 GeV双光子共振？
• RQ2 在高维理论中，KK模态的求和是否能显著增强γγ衰变率，以匹配LHC观测到的过量？
• RQ3 当KK态塔提供增强时，尽管受α²em抑制，纯电磁产生机制是否仍具可行性？
• RQ4 紧化尺度与额外维度数量在实现所需双光子截面中起何种作用？
• RQ5 该模型能否通过依赖KK模态求和而非大味数或非微扰耦合，避免非微扰物理与大味数问题？

主要发现

• 在2+1维及更紧凑的额外维度中，KK模态的求和导致X → γγ衰变率显著增强，使其与13 TeV下观测到的8 fb截面相兼容。
• 该模型无需大Yukawa耦合或非微扰物理即可实现所需的双光子衰变率，解决了其他模型中的关键难题。
• 由于仅涉及纯电磁部分子子过程，γγ末态中的喷注活动被抑制约10⁻³，与LHC数据一致。
• 来自KK轻子塔的标量质量修正ΔM²_X为有限且收敛，对d = 1（5D）及更高维数给出了显式表达式。
• 在5D且q_F = 1/2情形下，标量质量修正为ΔM²_X = y²M_c² × 7ζ(3)/(64π⁴)，表明其为有限且可计算的软质量。
• 该模型在广泛的紧化尺度范围内保持微扰性与可行性，因为KK模态增强可补偿α²em的抑制效应。