[论文解读] Revisiting Scalar Quark Hidden Sector in Light of 750-GeV Diphoton Resonance

Cheng-Wei Chiang, Masahiro Ibe+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 26

一句话总结

本文重新探討了一個标量夸克隱藏規範場模型，其中在750 GeV處的CP不變單態標量共振態作為強相互作用產生的最輕复合態出現，通過帶電標量夸克環的圈圖耦合至光子，從而解釋ATLAS與CMS觀測到的雙光子過量。該模型自然預言了額外的信號——包括帶電共振態、多個光子、噴流與輕子——這是因為動力尺度與共振態質量不可分離所致，同時也通過穩定的強子型標量態提供了一個可行的暗物質候選者。

ABSTRACT

In this short note, we revisit the model of a CP-even singlet scalar resonance proposed in arXiv:1507.02483, where the resonance appears as the lightest composite state made of scalar quarks participating in hidden strong dynamics. We show that the model can consistently explain the excess of diphoton events with an invariant mass around 750GeV reported by both the ATLAS and CMS experiments. We also discuss the nature of the charged composite states in the TeV range which accompany to the neutral scalar. Due to inseparability of the dynamical scale and the mass of the resonance, the model also predicts signatures associated with the hidden dynamics such as leptons, jets along with multiple photons at future collider experiments. We also associate the TeV-scale dynamics behind the resonance with an explanation of dark matter.

研究动机与目标

• 解釋ATLAS與CMS在13 TeV質子-質子碰撞中觀測到的750 GeV雙光子共振態過量。
• 表明此前提出的標量夸克隱藏規範場模型可一致地解釋雙光子信號，同時避開8 TeV共振態搜尋的約束。
• 探討動力尺度與複合共振態質量不可分離所導致的新對撞機信號。
• 透過穩定的強子型標量態，將TeV尺度的隱藏動力與可行的暗物質候選者聯繫起來。

提出的方法

• 將Ref. Chiang:2015lqa中最初為2 TeV雙玻色子共振態提出的模型調整，降低動力尺度以解釋750 GeV信號。
• 使用有效拉格朗日量，以抑制尺度$\Lambda_1$、$\Lambda_2$、$\Lambda_3$描述標量共振態$S$與SM規範玻色子通過膠子、$W$'s與$B$'s的耦合。
• 利用MSTW2008部分子分布函數與窄寬度近似計算膠子融合產生截面。
• 從包含帶電標量夸克的圈圖耦合推導雙光子分支比，其中共振態質量接近動力尺度。
• 預言額外信號如多個光子、噴流與輕子，這是因隱藏規範場低能區出現類夸克動力學所致。
• 識別出一個穩定的中性強子型標量態$B \propto QQQQQ$作為暗物質候選者，其剩餘豐度與直接檢測截面透過單位性飽和形式因子估計。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV雙光子共振態過量能否被標量夸克隱藏規範場中由強相互作用產生的複合標量共振態一致解釋？
• RQ2 8 TeV LHC對高質量共振態的搜尋約束如何影響該模型的可行性？
• RQ3 該模型中動力尺度與共振態質量不可分離會導致哪些新對撞機信號？
• RQ4 負責750 GeV共振態的相同TeV尺度動力是否也能提供一個可行的暗物質候選者？
• RQ5 該模型中標量暗物質候選者的直接檢測前景如何？

主要发现

• 該模型以$6.0^{+2.4}_{-2.0}$ fb（ATLAS）與$5.6^{+2.4}_{-2.4}$ fb（CMS）的產生截面乘以分支比解釋了750 GeV雙光子過量，與觀測數據一致。
• 共振態質量$M_S \approx 750$ GeV接近動力尺度$\Lambda_{\rm dyn}$，因該態非pseudo-Goldstone玻色子，導致耦合增強與新信號出現。
• 該模型預言未來對撞機將出現多個光子、噴流與輕子等額外信號，這是因隱藏規範場低能區出現部分子動力學所致。
• 預言帶電複合共振態將與中性750 GeV共振態伴隨出現，提供獨特的實驗信號。
• 識別出一個穩定的中性強子型標量態$B \propto QQQQQ$（質量$\sim 5$ TeV）作為可行的暗物質候選者，若形式因子略低於1，其熱剩餘豐度與觀測一致。
• 自旋不依賴的直接檢測截面估計為$\sigma_{SI} \simeq 5.4 \times 10^{-46}$ cm$^2 \times \lambda_B^2 (5\,{\rm TeV}/M_B)^2$，處於未來LZ實驗的探測範圍內。