[论文解读] The $750\, ext{GeV}$ diphoton resonance in the light of a 2HDM with $S_3$ flavour symmetry

A. E. Cárcamo Hernández, Ivo de Medeiros Varzielas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 33

一句话总结

本文提出一个带有 $S_3$ 额外味对称性的 2HDM 模型，通过引入电荷为 $+\frac{5}{3}$ 的奇异顶夸克伙伴以及一个带电标量单重态，解释了 ATLAS 和 CMS 观测到的 750\,\text{GeV} 双光子共振。该共振源自 $Z_{14}$ 破解的标量 $\chi$，通过奇异夸克的三角形圈图实现胶子融合产生，预测的截面约为 $\sim8\,\text{fb}$，当 Yukawa 耦合为 $O(1)$ 时，与实验限制一致，并预测 $v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$。

ABSTRACT

Very recently we proposed a predictive 2 Higgs Doublet Model with $S_{3}$ flavour symmetry that successfully accounts for fermion masses and mixings. In this letter, motivated by the $750$ GeV Higgs diphoton resonance recently reported by the ATLAS and CMS collaborations, we modify this model by adding exotic top partners with electric charge $\frac{5}{3}$ and a electrically charged scalar singlet. These exotic top partners decay into a charged scalar singlet and the SM up type quarks, whereas the charged scalar singlet will mainly decay into SM up and down type quarks. This simple modification enables our model to successfully account for the Higgs diphoton excess at $750\, ext{GeV}$ provided that the exotic quark masses are in the range $[1,2]$ TeV, for $O(1)$ exotic quark Yukawa couplings.

研究动机与目标

• 在可预测的味对称模型背景下，解释 ATLAS 和 CMS 观测到的 $750\,\text{GeV}$ 双光子共振。
• 通过引入电荷为 $+\frac{5}{3}$ 的奇异顶夸克伙伴和一个带电标量单重态，扩展先前的带有 $S_3$ 额外味对称性的 2HDM 模型。
• 确保模型在生成 $750\,\text{GeV}$ 共振的同时，与费米子质量及其混合保持一致。
• 约束 $Z_{14}$ 破解的尺度，并预测共振存在的可行参数空间。

提出的方法

• 引入四个电荷为 $+\frac{5}{3}$ 的 $SU(2)_L$ 奇异单重态奇异夸克，其变换为 $S_3$ 双态，以与 $Z_{14}$ 破解标量 $\chi$ 耦合。
• 假设一个带电标量单重态，用于介导奇异夸克衰变为标准模型的上型夸克。
• 利用包含奇异夸克的三角形图，实现通过圈图诱导的胶子融合产生 $\chi$。
• 使用圈函数 $F(x_T)$ 和 $K^{gg}$ 修正的矩阵元，计算双光子衰变宽度 $\Gamma(\gamma\gamma \to \chi)$ 和胶子融合截面 $\sigma(pp \to \chi \to \gamma\gamma)$。
• 采用 MSTW2008 NLO 胶子分布函数，通过调节 $v_\chi$ 和 Yukawa 耦合，使预测截面与实验截面限制一致。
• 通过要求总截面落在 $6\pm3\,\text{fb}$（CMS）和 $10\pm3\,\text{fb}$（ATLAS）范围内，推导出对 $v_\chi$ 的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $S_3$ 对称的 2HDM 中，$Z_{14}$ 破解的标量是否能解释 $750\,\text{GeV}$ 双光子共振？
• RQ2 电荷为 $+\frac{5}{3}$ 的奇异顶夸克伙伴在共振产生与衰变过程中起到何种作用？
• RQ3 为使预测截面与实验限制一致，标量真空期望值 $v_\chi$ 和奇异夸克 Yukawa 耦合的可行参数范围是什么？
• RQ4 该模型是否与费米子质量结构和观测到的双光子过量均保持一致？

主要发现

• 750\,\text{GeV} 双光子共振被归因于 $Z_{14}$ 破解标量 $\chi$，其通过奇异 $+\frac{5}{3}$ 电荷顶夸克伙伴的圈图实现胶子融合产生。
• 当 Yukawa 耦合为 $O(1)$ 且 $v_\chi \approx 1.2\,\text{TeV}$ 时，预测的双光子截面约为 $\sim8\,\text{fb}$，在 CMS 的 $6\pm3\,\text{fb}$ 和 ATLAS 的 $10\pm3\,\text{fb}$ 实验限制范围内。
• 总截面强烈依赖于 $v_\chi$ 和奇异夸克 Yukawa 耦合，当耦合较大或 $v_\chi$ 较低时，截面显著增加。
• 为与实验限制保持一致，模型要求 $v_\chi \lesssim 2\,\text{TeV}$，从而固定了 $Z_{14}$ 破解的尺度，以及 $\chi$ 和奇异夸克的质量均处于同一 TeV 量级区域。
• 该模型成功地将 $S_3$ 额外味对称性对费米子质量与混合的统一解释，与共振现象结合，同时保持与现有数据的一致性。
• 带电标量单重态介导了奇异夸克向标准模型上夸克和下夸克的衰变，而 $\chi$ 玻色子则通过包含奇异夸克的圈图主要衰变为光子。