[论文解读] The LHC 750 GeV diphoton excess in supersymmetry with gauged baryon and lepton numbers

Tai-Fu Feng, Xue–Qian Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 66

一句话总结

本文提出，LHC 观测到的 750 GeV 二光子过剩可在具有规范 B 和 L 对称性的超对称扩展 BLMSSM 框架中得到解释。由 $ U(1)_B $ 自发对称性自发破缺产生的 CP 奇态标量 $ A_B^0 $，通过包含矢量型夸克和规范玻色子的圈图过程介导二光子衰变，且在可行参数空间内重现了观测到的过剩。

ABSTRACT

The significance of discovering the boson of 750 GeV is beyond finding a single heavy boson, because it may hint the location of the scale for new physics beyond the standard model which is the target of long-time exploration. There have been many models to explain the diphoton excess observed by the ATLAS and CMS collaborations and the BLMSSM is one of them. The BLMSSM is an extension of the minimal supersymmetric model where baryon and lepton numbers are local gauge symmetries. We analyze the decay channels $Φ ightarrow gg$, $Φ ightarrowγγ$, $Φ ightarrow Zγ$, and $Φ ightarrow \bar{t}t,\;VV\;(V=Z,\;W)$ with the mass of the CP-odd scalar $Φ=A_{_B}^0$ being around $750\;{ m GeV}$ in this model. Within a certain parameter space, the scenario can account for the experimental data on the diphoton excess.

研究动机与目标

• 解释 ATLAS 和 CMS 实验观测到的 750 GeV 二光子共振，其源于 BLMSSM 框架中的 CP 奇态标量 $ A_B^0 $。
• 研究具有局域 $ U(1)_B $ 和 $ U(1)_L $ 对称性的 BLMSSM 是否能解释与实验数据一致的二光子衰变宽度。
• 分析 $ A_B^0 $ 通过矢量型夸克和规范玻色子介导的圈修正耦合，包括 $ \gamma\gamma $、$ gg $、$ Z\gamma $、$ \bar{t}t $ 和 $ VV $（V=Z,W）过程。
• 确定模型能重现观测到的二光子信号强度并满足其他衰变道约束的可行参数空间。

提出的方法

• 构建包含额外在 $ U(1)_B $ 下变换的矢量型夸克的 BLMSSM 拉格朗日量，引入新的 Yukawa 耦合和规范相互作用。
• 利用包含矢量型夸克和规范玻色子的圈图，计算 $ A_B^0 \to \gamma\gamma $、$ gg $、$ Z\gamma $、$ \bar{t}t $ 和 $ VV $ 的圈修正衰变振幅。
• 推导出耦合强度 $ g_{A_B^0 \gamma\gamma} $、$ g_{A_B^0 gg} $、$ g_{A_B^0 Z\gamma} $、$ g_{A_B^0 \bar{t}t} $ 和 $ g_{A_B^0 VV} $ 的解析表达式，包含来自新物理尺度 $ \Lambda_{\text{NP}} $ 的对数修正。
• 采用有效拉格朗日量方法计算分支宽度和信号强度，假设 $ A_B^0 $ 是 750 GeV 能量区间的主导共振态。
• 对 $ \alpha_B $、$ \upsilon_B $、$ \bar{\upsilon}_B $ 及矢量型夸克质量进行参数扫描，识别出二光子信号强度与实验数据一致的区域。
• 应用来自 $ Z\gamma $、$ \bar{t}t $ 和 $ VV $ 衰变模式的约束，排除物理上不成立或耦合过大的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有规范 B 和 L 对称性的 BLMSSM 框架中，750 GeV 二光子过剩是否可由 CP 奇态标量 $ A_B^0 $ 一致解释？
• RQ2 哪些是 $ A_B^0 \to \gamma\gamma $ 的主要圈贡献？矢量型夸克和规范玻色子如何介导该衰变？
• RQ3 在哪些 $ \alpha_B $、$ \upsilon_B $、$ \bar{\upsilon}_B $ 及矢量型夸克质量的参数范围内，模型能产生与 ATLAS 和 CMS 数据一致的二光子信号强度？
• RQ4 $ Z\gamma $、$ \bar{t}t $ 和 $ VV $ 衰变道的分支比如何约束模型的可行性？
• RQ5 该模型是否与质子衰变和其它味违反过程无显著贡献相容？

主要发现

• 由 $ U(1)_B $ 自发破缺产生的 CP 奇态标量 $ A_B^0 $，可通过包含矢量型夸克和规范玻色子的圈图过程介导 $ \gamma\gamma $ 衰变。
• 二光子衰变宽度 $ \Gamma(A_B^0 \to \gamma\gamma) $ 受新物理尺度 $ \Lambda_{\text{NP}} $ 的对数修正增强，主要贡献来自顶夸克类矢量型夸克。
• 在特定参数区域——特征为 $ \alpha_B \sim 0.1 $、$ \upsilon_B \sim 100 $ GeV、$ \bar{\upsilon}_B \sim 1 $ TeV，且矢量型夸克质量约为 1.5–2 TeV——模型重现了观测到的二光子信号强度。
• $ Z\gamma $ 衰变分支比相对于 $ \gamma\gamma $ 被抑制，且在实验不确定度范围内与观测到的 $ Z\gamma $ 率一致。
• $ \bar{t}t $ 和 $ VV $ 衰变模式为次级通道，在可行参数空间中分支比低于 10%，确保与直接搜寻结果无冲突。
• 由于局域 $ U(1)_B $ 对称性，该模型避免了对质子衰变的显著贡献；同时，矢量型夸克质量安全高于 500 GeV，且未触发 Yukawa 耦合中的 Landau 极点。