[论文解读] SU(2) x SU(2) x U(1) Interpretation on the 750 GeV Diphoton Excess

Jing Ren, Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

该论文提出，LHC中750 GeV的二光子过剩现象可用一个SU(2)×SU(2)×U(1)（G221）模型来解释，其中750 GeV的标量共振态源于右手中性SU(2)群下的三重态或双态标量。二光子衰变宽度主要由一个轻量级W′玻色子的圈图贡献决定，而胶子融合产生过程则通过SO(10) GUT实现中的紫外临界轻度色标量或向量型费米子实现，其中W′与双电荷标量的贡献在干涉中呈相消性。

ABSTRACT

We propose that the SU(2) x SU(2) x U(1) (aka G221) models could provide us a 750 GeV scalar resonance that may account for the diphoton excess observed at the LHC while satisfying present collider constraints. The neutral component of the $SU(2)_R$ scalar multiplet can be identified as the 750 GeV scalar. In the lepto-phobic and fermio-phobic G221 models the new charged gauge boson W' could be light, and we find that the diphoton decay width could be dominated by the loop contribution from the $W'$. To initiate gluon fusion production, it is necessary to extend the G221 symmetry to the Pati-Salam and SO(10) symmetry. We investigate the possibilities that the light colored scalars or vectorlike fermions survive in the SO(10) theory and provide large gluon fusion rate for the diphoton signature. It is possible to test the G221 interpretation by direct searches of W' using the multi-gauge boson production channel at the Run 2 LHC.

研究动机与目标

• 通过SM规范群的最小扩展：SU(2)×SU(2)×U(1)（G221），解释LHC观测到的750 GeV二光子过剩现象。
• 将750 GeV标量共振态识别为SU(2)R规范结构中标量多重态的中性分量。
• 探讨轻量级W′玻色子与双电荷标量的圈图贡献如何产生大的二光子宽度。
• 通过将G221扩展至Pati-Salam与SO(10) GUT模型，引入轻度色标量或向量型费米子，实现750 GeV标量的胶子融合产生过程。
• 通过Run 2 LHC中多规范玻色子产生过程的直接搜索，检验该模型中W′的存在。

提出的方法

• 在对称性破缺模式SU(2)L×SU(2)R×U(1)B-L → SU(2)L×U(1)Y → U(1)em下分析G221模型，其中标量三重态Δ∼(1,3,1)或双态Δ∼(1,2,1/2)提供希格斯机制。
• 通过包含W′玻色子与带电标量的圈图，利用标准圈函数A1(τ)、A1/2(τ)与A0(τ)，其中τ = 4m²/mS²，计算二光子衰变宽度。
• 在SO(10) GUT框架下，胶子融合产生过程由新色态粒子（轻度色标量，如三重态或八重态，或16+10表示下的向量型费米子）的圈图介导。
• 通过对撞机搜索对模型进行约束，特别是针对W′与奇异带电标量，参数空间要求存在一个轻量级W′以满足二光子信号强度。
• 评估W′与δ++贡献之间的干涉，以确定W′在二光子振幅中是否占主导地位。
• 推导出现象学信号，包括多规范玻色子产生与多轻子末态，作为W′探测的决定性信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SU(2)×SU(2)×U(1)模型框架下，能否通过轻量级W′玻色子与中性标量共振态解释750 GeV二光子过剩现象？
• RQ2 W′与双电荷标量在生成二光子衰变宽度中起何作用？它们的贡献如何干涉？
• RQ3 在G221模型中缺乏色态粒子的情况下，如何实现750 GeV标量的胶子融合产生？
• RQ4 在SO(10) GUT中，哪些类型的轻度色标量或向量型费米子可提供足够大的胶子融合速率以匹配观测到的二光子信号？
• RQ5 能否通过Run 2 LHC中多规范玻色子产生通道的直接LHC搜索来检验G221模型的解释？

主要发现

• 750 GeV标量的二光子衰变宽度主要由轻量级W′玻色子的圈图贡献决定，尤其当W′质量低于约500 GeV时更为显著。
• W′与δ++贡献之间的相消干涉降低了二光子宽度，使得W′成为主导贡献者，除非δ++质量接近mS/2。
• 轻度色标量——特别是八重态——可提供足够大的胶子融合产生速率以匹配观测到的信号强度，而三重态可能因顶夸克-轻子搜索而被排除。
• 16+10表示下的向量型费米子同样可产生所需的胶子融合速率，但受到当前LHC限制的更严格约束。
• 轻量级W′是该Lepto-phobic与Fermio-phobic G221模型的关键预测，使得多规范玻色子产生与多轻子末态成为Run 2 LHC中直接探测的决定性信号。
• 当W′和/或奇异带电标量为轻量级时，该模型在当前对撞机约束下仍具可行性，且通过SO(10) GUT实现的紫外完成允许轻度色态粒子介导胶子融合。