[论文解读] The Fourth Generation Quark and the 750 GeV Diphoton Excess

Yu-Jie Zhang, Bin-Bin Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 14

一句话总结

本文提出，LHC Run II 期间 CMS 和 ATLAS 观测到的 750 GeV 二光子衰变过剩可能源自第四代夸克的束缚态，特别是 $(z\bar{z} + y\bar{y})/\sqrt{2}$ 态 $\eta_{zy}(1S)$，其中 $z$ 和 $y$ 夸克的质量为 380 GeV。通过非相对论量子色动力学和束缚态计算，作者计算出在 $\sqrt{S} = 13$ TeV 下的二光子产生截面为 $5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fb，与观测到的过剩一致。

ABSTRACT

Recently, the CMS and ATLAS collaborations have reported a diphoton peak at 750 GeV in the RunII of LHC at 13 TeV. We assume that the heavy fourth generation quark doublet $z,~y$ with $380 $GeV mass, and the width of $z,t$ is much less $b$ quark. Then we show that the contributions of the $(z \bar z+y \bar y)/\sqrt{2}$ bound state $η_{zy}(1S)$ to the diphoton measurements through $σ(pp o η_{zy}(1s) o γγ) $ are $ 5.6^{+5.6}_{-2.8} { m fb}$ at $\sqrt S=13$ TeV. They are constant with the 750 GeV diphoton excess measured by the CMS ant ATLAS collaborations.

研究动机与目标

• 解释 CMS 和 ATLAS 在 LHC Run II 中观测到的 750 GeV 二光子过剩。
• 研究第四代夸克束缚态是否可解释该过剩。
• 通过胶子融合和二光子衰变建模 $\eta_{zy}(1S)$ 态的产生与衰变。
• 检验预测截面与 CMS 和 ATLAS 实验测量结果的一致性。

提出的方法

• 假设一个质量为 380 GeV 的重第四代夸克 doublet ($z$, $y$)，其与标准模型夸克的耦合被抑制。
• 将 $\eta_{zy}(1S)$ 态建模为 $z\bar{z}$ 和 $y\bar{y}$ 的自旋 singlet 束缚态，其波函数通过使用类氢径向函数的变分法推导得出。
• 利用一阶微扰 QED 和非相对论量子色动力学形式，计算二光子衰变宽度 $\Gamma(\eta_{zy} \to \gamma\gamma)$。
• 通过 LO parton-level 截面与 PDF 卷积，计算胶子融合产生截面 $\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$。
• 在 $z$-夸克质量尺度下使用 $\alpha_s \sim 0.162$ 和 $\alpha \sim 1/120$，并在势能中包含相对论修正。
• 使用积分 $\int_{\tau}^{1} \frac{dx}{x} f(x)f(\tau/x)$ 计算总截面，$\sqrt{S} = 13$ TeV 时其值为 2137。

实验结果

研究问题

• RQ1 第四代夸克束缚态能否解释 CMS 和 ATLAS 观测到的 750 GeV 二光子过剩？
• RQ2 在 $\sqrt{S} = 13$ TeV 下，$\eta_{zy}(1S)$ 态的预测二光子产生截面是多少？
• RQ3 在考虑 $z\bar{z}$ 和 $y\bar{y}$ 分量之间相互抵消的情况下，$\eta_{zy}(1S)$ 的电弱衰变和强衰变模式如何比较？
• RQ4 相对论修正和希格斯交换势在决定结合能和波函数在原点的值方面起什么作用？
• RQ5 预测的截面是否与观测到的 6 ± 3 fb（CMS）和 10 ± 3 fb（ATLAS）测量结果一致？

主要发现

• 在 $\sqrt{S} = 13$ TeV 下，$\sigma(pp \to \eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma)$ 的二光子产生截面计算为 $5.6^{+5.6}_{-2.8}$ fb。
• $\eta_{zy}(1S) \to \gamma\gamma$ 的分支比为 $2.8 \times 10^{-3}$，二光子宽度为 0.86 MeV。
• 束缚态质量为 $M_{\eta_{zy}(1S)} = 750$ GeV，与观测到的峰位一致。
• 胶子融合产生宽度 $\Gamma(\eta_{zy}(1S) \to gg)$ 为 0.30 GeV，表明存在显著的强子产生过程。
• 波函数在原点满足 $|R_{1s}(0)|^2 / m_{\eta_{zy}}^2 = 6.9$ GeV$^{-3}$，这对衰变率计算至关重要。
• 高激发态 $\eta_{zy}(ns)$（$n \geq 2$）可能对观测到的宽度有贡献，或可解释 45 GeV 的实验宽度。