[论文解读] The 750 GeV diphoton resonance can cause the SM fermion mass and mixing pattern

A. E. Cárcamo Hernández|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 33

一句话总结

该论文提出了一种 $Z_2 \times Z_{14}$ 多标量单重态扩展的规范理论，通过一个虚拟的 $\frac{8}{3}$ 电荷的奇异夸克介导，使一个 $Z_{14}$-带电的标量单重态 $\chi$ 在一阶圈图中衰变为光子对，从而解释了 750 GeV 的双光子共振。相同的标量 $\chi$ 通过其真空期望值和 Yukawa 耦合生成了观测到的费米子质量与混合模式，而轻子中微子质量则通过两个重 Majorana 中微子与 $Z_2$-奇的标量 $\eta$ 在一阶圈图中生成，其中 $Z_2$ 对称性确保了自然的暗物质候选粒子。

ABSTRACT

I propose a $Z_2 imes Z_{14}$ multiscalar singlet extension of the Standard Model (SM) that successfully explains the $750$ GeV diphoton excess recently found at the LHC and the observed SM fermion mass and mixing pattern. The diphoton excess arises from a $Z_{14}$ charged scalar singlet $\chi$ whose one-loop decays into photon and gluon pairs are triggered by a virtual exotic quark of electric charge $\frac{8}{3}$. The $Z_{14}$ charged scalar singlet $\chi $ generates the observed charged fermion mass and quark mixing pattern. Light active neutrino masses are generated at one loop level, which involves two heavy Majorana neutrinos and the real and imaginary parts of the $Z_2$ odd neutral SM scalar singlet $\eta$, running in the loops. The observed diphoton excess sets an upper bound of about $1.8$ TeV for the $Z_{14}$ discrete symmetry breaking scale. The unbroken $Z_2$ symmetry of the model allows for natural dark matter candidates.

研究动机与目标

• 在标准模型的最小扩展范围内解释大型强子对撞机（LHC）观测到的 750 GeV 双光子共振。
• 同时解释标准模型费米子质量与夸克混合角的观测模式。
• 通过涉及重 Majorana 中微子和 $Z_2$-奇标量单重态的一阶圈图机制生成轻子活性中微子质量。
• 利用双光子共振数据约束 $Z_{14}$ 对称性破缺尺度，以确保模型的可行性。
• 通过保持未破缺的 $Z_2$ 对称性，确保存在自然的暗物质候选粒子。

提出的方法

• 引入一个 $Z_{14}$-带电的标量单重态 $\chi$，其通过一阶圈图衰变为光子对与胶子对，从而产生双光子共振。
• 引入一个电荷为 $\frac{8}{3}$ 的虚拟奇异夸克，通过圈图过程介导 $\chi \to \gamma\gamma$ 和 $\chi \to gg$ 的跃迁。
• 利用 $\chi$ 的真空期望值，通过 Yukawa 耦合生成带电费米子质量与夸克混合模式。
• 构建一个涉及两个重 Majorana 中微子以及 $Z_2$-奇标量单重态 $\eta$ 的实部与虚部的一阶圈图，用于生成轻子活性中微子质量。
• 确保 $Z_2$ 对称性未被破缺，以保证稳定且弱相互作用的暗物质候选粒子存在。
• 应用双光子共振数据对 $Z_{14}$ 对称性破缺尺度施加约束，结果表明其上限约为 1.8 TeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个 $Z_2 \times Z_{14}$ 多标量单重态模型是否能够同时解释 750 GeV 双光子共振与标准模型费米子质量及混合模式？
• RQ2 在通过 Yukawa 相互作用生成费米子质量与夸克混合角的过程中，$Z_{14}$-带电标量 $\chi$ 的作用是什么？
• RQ3 该模型中轻子活性中微子质量如何产生？其圈图结构是怎样的？
• RQ4 观测到的双光子过剩对 $Z_{14}$ 离散对称性破缺尺度施加了何种上限？
• RQ5 模型中未破缺的 $Z_2$ 对称性是否允许存在自然的暗物质候选粒子？

主要发现

• 通过一个虚拟的 $\frac{8}{3}$ 电荷奇异夸克介导，$Z_{14}$-带电的标量单重态 $\chi$ 在一阶圈图中衰变为光子与胶子对，从而产生 750 GeV 的双光子共振。
• 相同的标量 $\chi$ 通过其真空期望值与 Yukawa 耦合，生成了观测到的带电费米子质量与夸克混合角的模式。
• 轻子活性中微子质量通过一个涉及两个重 Majorana 中微子以及 $Z_2$-奇标量单重态 $\eta$ 的实部与虚部的一阶圈图生成。
• 双光子共振数据将 $Z_{14}$ 对称性破缺尺度约束在约 1.8 TeV 以内。
• 模型中未破缺的 $Z_2$ 对称性为弱相互作用暗物质提供了自然候选粒子，其中 $Z_2$-奇的标量 $\eta$ 是一个可行的暗物质粒子。