[论文解读] Squarkonium/Diquarkonium and the Di-photon Excess

Mingxing Luo, Kai Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了由稳定、带色且带电的标量粒子形成的奇异夸克偶素（squarkonium）、二夸克偶素（diquarkonium）和八重态偶素（octetonium）作为解释LHC双光子过剩现象的机制。通过圈图诱导的湮灭过程，这些态衰变为二胶子末态，其双光子末态的截面约为10 fb，显著大于停夸克偶素的截面，因此尽管存在强烈的对撞机约束，它们仍是可行的候选者。

ABSTRACT

Motivated by the recent di-photon excess by both ATLAS and CMS collaborations at the LHC, we systematically investigate the production and di-photon decay of onia formed by pair of all possible color exotic scalars in minimal extension. When such scalar massive meta-stable colored and charged (MMCC) particles are produced in pair near threshold, $\eta$ onium can be formed and decay into di-photon through annihilation as $pp o \eta o \gamma\gamma$. Squarkonium is formed by meta-stable squarks in supersymmetric models such as stoponium. Diquarkonium is formed by meta-stable color sextet diquarks which may be realized in the Pati-Salam model. Octetonium is formed by color octet scalars bosons as in the Manohar-Wise model. Stoponium prediction is much smaller than the required signal to account for the di-photon excess. Due to the enhancement factor from color and electric charge, predictions of diquarkonium and octetonium are of $\cal O$(10 fb) which are significantly greater than the stoponium prediction. Since the color enhancement also results in large production at the colliders, such light color exotic states of $\cal O$(375 GeV) suffer from severe direct search constraints. On the other hand, if their dominant decay mode involve top quark, they may be buried in the $t\bar{t}$ plus jets samples and can potentially be searched via $t+j$ resonance.

研究动机与目标

• 通过提出由稳定、带色且带电的标量粒子形成的奇异偶素，解释LHC观测到的双光子过剩现象。
• 评估这些奇异偶素在标准模型最小扩展中的产生与双光子衰变截面。
• 在观测到的信号强度下，评估二夸克偶素与八重态偶素作为停夸克偶素的替代解释的可行性。

提出的方法

• 系统分析在标准模型最小扩展中，所有可能的带色奇异标量形成的偶素的产生与双光子衰变过程。
• 建立模型，描述 $pp \to \eta \to \gamma\gamma$ 的湮灭过程，涉及稳定、带电且带色的标量对的圈图。
• 利用色荷与电荷增强因子，估算双光子产生过程的有效耦合强度与截面。
• 应用来自LHC的直接搜寻结果，特别是针对约375 GeV附近轻的奇异态的限制。
• 评估这些态是否可能因主要衰变模式为顶夸克而隐藏在顶夸克+喷注末态中。
• 比较奇异夸克偶素、二夸克偶素与八重态偶素的预测截面，重点关注数量级差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 由稳定、带色且带电的标量粒子形成的奇异偶素能否解释750 GeV处观测到的双光子过剩？
• RQ2 为何二夸克偶素与八重态偶素的双光子截面显著大于停夸克偶素？
• RQ3 色荷与电荷增强如何影响这些奇异偶素的产生与衰变速率？
• RQ4 这些奇异态的主要衰变模式是什么？它们能否规避直接搜寻的限制？
• RQ5 若其主要衰变模式为顶夸克，这些态是否可在顶夸克+喷注末态中被重建？

主要发现

• 二夸克偶素与八重态偶素预测的双光子截面约为10 fb，显著大于停夸克偶素的预测值。
• 色荷与电荷增强显著提高了有效耦合强度，从而增强了双光子衰变速率。
• 尽管产生截面较大，约375 GeV的轻奇异态仍面临来自对撞机实验的严格直接搜寻限制。
• 若主要衰变模式涉及顶夸克，此类态可能隐藏在 $t\bar{t} + \text{喷注}$ 样本中，从而可通过 $t+\text{喷注}$ 共振态实现间接探测。
• 该模型表明，由于耦合增强，二夸克偶素与八重态偶素比停夸克偶素更可能是双光子过剩的合理解释。