[论文解读] Production and Decay of 750 Gev state of 6 top and 6 anti top quarks

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

该论文提出，ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子过剩可能是标准模型中六顶夸克与六反顶夸克组成的束缚态，无需引入新物理。基于Bethe-Salpeter波函数和夹带近似的粗略估算，其预测在13 TeV下的成对产生截面约为2 pb，且分支比与LHC数据一致，双光子衰变率因波函数重叠而抑制，但通过胶子交换得以增强。

ABSTRACT

Crude estimates are made of the branching ratios and pair production cross-section for our previously proposed bound state S of six top and six antitop quarks identified with the diphoton excess recently observed in ATLAS and CMS. We estimate the pair production cross section to be approximately 12 times that for fourth family quarks. Hence we predict $σ(pp ightarrow SS + anything) \approx 2$ pb at 13 TeV and an increase by a factor 10 over the cross section at 8 TeV. Crude estimates of the main branching ratios relative to the diphoton decay give $Γ(S ightarrow γ+γ) \propto 1$, $Γ(S ightarrow t + \bar{t})\propto 378$, $Γ(S ightarrow gluon+gluon)\propto 117$, $Γ(S ightarrow Higgs+Higgs)\propto 15$, $Γ(S ightarrow W+W)\propto 30$ and $Γ(S ightarrow Z+Z) = 15$. These estimates are consistent with the LHC bounds at 8 TeV within a factor 1.25. We expect the $S ightarrow γγ$ events to be produced together with another S resonance decaying typically into top-antitop or gluon-gluon jets.

研究动机与目标

• 在不引入新粒子或相互作用的前提下，解释ATLAS和CMS观测到的750 GeV双光子共振态。
• 利用夹带近似估算该束缚态S通过胶子融合的成对产生截面σ(pp → SS + 任何)。
• 计算关键衰变道（包括γγ、tt̄、gg、HH、WW和ZZ）的相对分支比。
• 评估该模型与8 TeV和13 TeV LHC现有约束的一致性。
• 探讨双光子事例是否伴随第二个S共振态，其衰变为顶-反顶或胶子喷注。

提出的方法

• 使用Bethe-Salpeter形式化方法，建模六顶夸克与六反顶夸克在1s态下的束缚态S。
• 应用夹带近似估算成对产生截面σ(pp → SS + 任何)，将其相对于第四代夸克对产生按因子12缩放。
• 通过考虑单圈（同对）和双圈（不同对）湮灭图估算衰变振幅，因符号复杂性而忽略干涉项。
• 基于波函数重叠的抑制因子和耦合强度分配相对分支比，以γγ衰变为基准。
• 利用第四代夸克对产生已知截面，估算8 TeV和13 TeV下S的产生截面。
• 考虑全局量子数守恒（如弱同位spin）以及涉及带电流的双圈衰变中Higgs交换的必要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子共振态能否在标准模型内被解释为六顶夸克与六反顶夸克的束缚态？
• RQ2 在13 TeV LHC能量下，此类束缚态的成对产生截面预测值是多少？
• RQ3 主要衰变模式（如γγ、tt̄、gg、HH、WW、ZZ）的相对分支比是多少？
• RQ4 该模型的衰变宽度与LHC的实验约束及能量分辨率相比如何？
• RQ5 双光子事例是否可能伴随第二个S共振态，其衰变为顶-反顶或胶子喷注？

主要发现

• 在13 TeV下，S共振态的成对产生截面估计约为2 pb，与观测到的4–10 fb双光子截面一致。
• 双光子衰变宽度相对于总宽度被抑制约558倍，导致宽度远小于LHC能量分辨率，呈现窄共振态。
• S → γγ的分支比估计为1，而S → t + t̄的分支比最大，估计为378。
• 模型预测S → Higgs + Higgs以及S → W+W和S → Z+Z的分支比接近实验上限，抑制因子约为15。
• 基于12个组成(反)夸克，产生截面估计为第四代夸克对产生的12倍。
• 该模型预测双光子事例很可能伴随第二个S共振态，其衰变为顶-反顶或胶子喷注，源于成对产生机制。