[论文解读] The Minimal Scalar-Stealth Top Interpretation of the Diphoton Excess

Wei Chao, Ran Huo+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 101

一句话总结

该论文通过一个标量单重态和一个轻量级、'隐形'的矢量型顶夸克（带有 $Z_2$ 对称性）提出了一种最小模型，以解释大型强子对撞机（LHC）中750 GeV双光子过剩现象。该隐形顶夸克因对称性保护而避开直接LHC探测，其质量与暗物质粒子几乎简并，通过圈图过程显著增强双光子衰变宽度。质量为400–500 GeV、汤川耦合常数为0.5–1.5的参数区域可拟合观测到的5–10 fb横截面，同时满足二胶子和其它衰变通道的约束条件。

ABSTRACT

A resonance near 750 GeV has been observed at both the ATLAS and CMS experiments in its diphoton decay channel. We propose a possible interpretation based on a simplified model: a 750 GeV singlet scalar resonance, and a minimal stealth vector quark are introduced. At the LHC, the scalar is produced through gluon fusion, and subsequently decays to diphoton final state. The light stealth quarks could enhance the diphoton rate significantly, while still keeping other channels below the current LHC search limits. We find that the stealth quarks around 400 ~ 500 GeV with its coupling to scalar around 0.5 ~ 1.5 could explain the diphoton excess, and avoid current di-jet constraints. We also comment on other potential signatures of this stealth model.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS在LHC运行2期数据中观测到的750 GeV双光子过剩现象。
• 解决为实现双光子衰变率所需的大汤川耦合常数与LHC对重矢量型夸克探测限制之间的矛盾。
• 提出标准模型的最小扩展，包含一个标量单重态和一个$Z_2$奇性的矢量型顶夸克（即隐形顶夸克），以避开直接探测。
• 确保模型与二胶子、$WW$、$ZZ$及不可见衰变通道的约束条件一致。
• 识别出双光子信号被增强而其他衰变模式保持次主导的可行参数区域。

提出的方法

• 引入一个750 GeV的标量单重态，通过汤川相互作用与矢量型顶夸克耦合。
• 实施一个$Z_2$对称性，使得矢量型顶夸克为奇宇称，从而成为“隐形”状态并稳定存在，其质量与暗物质候选者几乎简并。
• 利用圈级产生与衰变过程，通过胶子融合和双光子末态实现，同一圈图同时介导这两个过程。
• 应用部分子分布函数（PDF）重标定，以偏好胶子融合而非夸克初态过程。
• 通过混合角$\varphi$抑制树图级对标准模型粒子的衰变，计算$\gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$、$jj$及不可见衰变的分支宽度。
• 利用LHC运行1期的二胶子限制（$\sigma \cdot \text{Br} < 2200$ fb）、LUX暗物质约束以及LEP对$ZZ/WW$衰变的限制来约束参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含标量单重态和矢量型顶夸克的最小模型，能否在不违反现有LHC约束的前提下解释750 GeV双光子过剩现象？
• RQ2 一个轻量级矢量型顶夸克如何在增强双光子衰变率的同时避开直接LHC探测？
• RQ3 在何种参数区域内，隐形顶夸克的质量与汤川耦合常数可拟合观测到的5–10 fb双光子横截面？
• RQ4 二胶子、$WW$、$ZZ$及不可见衰变的约束如何塑造允许的参数空间？
• RQ5 该模型能否保持微扰性，并与暗物质稳定性及遗迹密度一致？

主要发现

• 质量在400–500 GeV之间、汤川耦合常数为0.5–1.5的隐形顶夸克可解释观测到的5–10 fb双光子横截面。
• 由于$Z_2$奇性对称性和与暗物质的质量简并，该模型避开了700–900 GeV范围内的LHC直接探测限制。
• 二胶子通道的约束将$\sigma \cdot \text{Br}(jj)$限制在2200 fb以下，该条件在可行参数区域内得以满足。
• 通过混合角$\sin\varphi < 6.7 \times 10^{-3}$，树图级对$WW$、$ZZ$和$t\bar{t}$的衰变被抑制，确保总宽度较窄。
• 若暗物质质量超过标量粒子质量的一半或耦合常数较小，则不可见衰变宽度可忽略不计，从而保持双光子主导性。
• 该模型在当前LHC和暗物质约束下保持微扰性与可行性，未来可通过$WW$、$ZZ$或$jj$通道的搜索实现验证。