[论文解读] Theoretical interpretation of a spin-two diphoton excess

Verónica Sanz|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Crystallography and Radiation Phenomena被引用 14

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）的二光子末态中观测到的750 GeV自旋-2共振态的理论可行性，提出该共振态可能源自额外维度中的Kaluza-Klein引力子，或源自新束缚强相互作用规范理论中的胶球。分析表明，此类共振态必须通过高维算符耦合，暗示新的物理尺度Λ ≈ 3–5 TeV，并预测了诸如更重的自旋-2激发态和标量共振态等关联现象，同时在胶球模型中排除了轻量矢量共振态的存在。

ABSTRACT

A spin-two resonance would have couplings to the SM, suppressed via higher-dimensional operators. Therefore, a sizeable cross-section would indicate that the scale of additional new phenomena cannot be too far above the 750 GeV mark. Below I present some theoretical arguments to place the resonance in a wider framework: a manifestation of new extra-dimensions, or a glueball of a new strong sector. In each case, I identify some conditions the UV theory must satisfy to accommodate other experimental bounds. Based on those, I draw correlations with associated phenomena we expect to find in future searches.

研究动机与目标

• 研究在大型强子对撞机（LHC）的二光子末态中观测到的750 GeV自旋-2共振态的理论可行性。
• 评估该共振态是否可能源自额外维度（作为Kaluza-Klein引力子）或源自新束缚强相互作用规范理论（作为胶球）。
• 识别满足实验约束的紫外完成方案，并预测可观测的新现象。
• 研究该共振态与电弱对称性自发破缺之间的联系，特别是其是否可能与复合希格斯机制相关。

提出的方法

• 使用Fierz-Pauli拉格朗日量对自旋-2共振态进行模型无关参数化，描述一个质量为正的对称无迹张量场。
• 通过被尺度Λ抑制的维度五阶算符分析相互作用顶点，例如 $\mathcal{L}_{\text{int}} \supset -\frac{c_\gamma}{\Lambda} X_{\mu\nu} F^{\mu\lambda} F^{\nu\lambda}$。
• 计算大型强子对撞机（LHC）上二光子末态的产生截面，表明 $\sigma(pp \to X \to \gamma\gamma) \propto (c_g c_\gamma)^2 (3\,\text{TeV}/\Lambda)^4 (\text{GeV}/\Gamma_X)$。
• 评估紫外完成方案：在翘曲额外维度中的Kaluza-Klein引力子，以及在纯胶子束缚强相互作用理论中的胶球。
• 利用算符维度计数推断可能共振态的量子数：胶球为 $J^{PC} = 0^{++}, 2^{++}$，介子为 $J^{PC} = 0^{-+}, 1^{--}$。
• 研究该共振态与电弱对称性自发破缺的一致性，包括作为伪戈尔戈斯玻色子的复合希格斯机制的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV的自旋-2共振态能否在翘曲额外维模型中一致地解释为Kaluza-Klein引力子？
• RQ2 缺乏轻量矢量共振态对自旋-2共振态的紫外完成方案施加了何种约束？
• RQ3 在无轻费米子组分的束缚纯胶子理论中，自旋-2共振态是否可能为胶球？
• RQ4 如何调和该共振态的耦合尺度Λ ≈ 3–5 TeV与量子引力效应及黑洞产生之间的关系？
• RQ5 该共振态是否可通过强耦合规范理论中的复合希格斯机制与电弱对称性自发破缺相联系？

主要发现

• 750 GeV的二光子共振态必须通过维度五阶算符耦合，这暗示新的物理尺度Λ ≈ 3–5 TeV，与观测到的信号强度一致。
• 若该共振态为Kaluza-Klein引力子，则意味着在3–5 TeV附近存在量子黑洞，但该预测已被第一轮LHC数据所约束。
• 在胶球解释中，缺乏轻量矢量共振态（如约500 GeV处）表明存在无轻费米子的纯胶子束缚强相互作用区域。
• 该理论必须避免轻量矢量态，否则将通过异常耦合产生并在$Z'$或$W'$搜索中被探测到。
• 自旋-2胶球模型预测存在更重的自旋-2共振态以及更宽的标量共振态，这些可在未来的LHC运行中被搜索。
• 只有当底层理论具有导致伪戈尔戈斯玻色子的全局对称性时，该共振态的起源才可能与电弱对称性自发破缺相关，这要求非平凡的模型构建。