[论文解读] Scalar Dark Matter Explanation of Diphoton Excess at LHC

H. Han, Shaoming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出一个750 GeV的标量暗物质粒子作为大型强子对撞机（LHC）观测到的二光子过剩的起源，通过与顶夸克或底夸克类费米子伙伴的Yukawa相互作用实现。该模型通过圈图级衰变解释了对γγ、ZZ、WW和gg的过剩，当电荷Q = ±2时，费米子伙伴的质量范围为(375–410) GeV或(745–750) GeV。

ABSTRACT

We consider a 750 GeV scalar dark matter as an explanation of diphoton signal excess observed at the LHC run 2 through direct Yukawa interaction with a SM top- or bottom-like fermion partner. In this setup the scalar dark matter is mainly produced by gluon fusion, and decays at the one-loop level to SM diboson channels $\gamma\gamma$, $ZZ$, $WW$ and $gg$. we show that fermion partner with mass $m_{\psi}$ in the range between $(375,410)$ GeV or $(745, 750)$ GeV for exotic electric charge $Q=\pm 2$ can account for scalar dark matter as the origin of diphoton excess.

研究动机与目标

• 解释大型强子对撞机（LHC）运行2中观测到的750 GeV二光子共振是由标量暗物质引起的。
• 探索能通过圈图衰变重现二光子信号的可行暗物质模型。
• 识别能产生一致耦合常数和衰变率的奇异费米子伙伴的质量范围。
• 确保该模型与标准模型（SM）的二玻色子衰变道及胶子融合产生过程一致。

提出的方法

• 引入一个质量≈750 GeV的标量暗物质粒子，通过Yukawa相互作用与一个新的费米子伙伴耦合。
• 计算标量粒子衰变到SM二玻色子末态（γγ、ZZ、WW和gg）的圈图振幅。
• 通过胶子融合计算产生截面，这是标量暗物质的主要产生机制。
• 根据观测到的二光子过剩率施加约束，以确定Yukawa耦合强度。
• 基于规范不变性和电荷量子化分析费米子伙伴的允许质量范围。
• 考虑电荷Q = ±2的奇异电荷，以满足异常消除并保持与标准模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV的标量暗物质粒子是否能通过γγ、ZZ、WW和gg的圈图衰变解释二光子过剩？
• RQ2 能介导衰变并重现观测信号率的费米子伙伴的可行质量范围是什么？
• RQ3 Yukawa耦合强度如何依赖于费米子伙伴的质量和电荷？
• RQ4 胶子融合在该模型中对标量暗物质的产生起什么作用？
• RQ5 电荷Q = ±2的奇异电荷如何影响模型的一致性和现象学特征？

主要发现

• 质量≈750 GeV的标量暗物质粒子可通过γγ、ZZ、WW和gg的圈图衰变解释二光子过剩。
• 当Q = ±2时，质量在(375, 410) GeV范围内的费米子伙伴可为二光子信号提供可行解释。
• 当Q = ±2时，费米子伙伴质量在(745, 750) GeV范围内也能产生一致结果。
• 该模型预测了显著的胶子融合产生过程，与LHC数据一致。
• Yukawa耦合强度受观测到的二光子信号率和费米子伙伴质量的约束。
• 当Q = ±2的费米子伙伴时，该模型在标准模型规范对称性和异常消除下依然可行。