750GeV双光子信号的理论诠释

2012年欧洲核子中心的大型强子加速器(LHC)宣布发现一个质量约125GeV的新粒子(1个氢原子相当于约1GeV能量)。这个被称为“上帝粒子”的新粒子的发现是基础研究多年来最重要的发现，没有之一。据此，提出“上帝粒子”的两位理论物理学家在2013年获得了诺贝尔物理学奖。“上帝粒子”并不稳定，考虑到观测背景的因素，它衰变到两个高能光子的信号成为人们确立它存在的主要方式。2015年，LHC把实验能量从原来的8TeV（1TeV=1000GeV）提升到13TeV后，这是人类目前能够达到的最高能量。LHC上两个主要实验组ATLAS和CMS在两个高能光子信号中意外地发现，在750GeV附近似乎埋藏着另一个新粒子[1，2]。之所以使用“似乎”是因为它还没有达到实验家认可的宣布发现标准（信号置信度超过5个标准方差）。

按照常理，一个尚未确立的“疑似信号”首先应当等待进一步的实验检验。毋庸置疑，如果此出乎意料的信号被实验确立，那将是人类等待近50年的超出标准模型新物理的信号第一次出现，也很可能决定基础研究的方向。由于其潜在的重要性，自2015年12月15日发布疑似信号起，至2016年3月1日止，涌现出260多篇理论工作来理解这个信号。在2016年3月17日，ATLAS和CMS实验组又宣布了对数据进一步分析的结果[3，4]，发现此信号没有消失，并且略有增强。为此，《物理评论快报》在2016年4月15日出版的期刊上，选择发表了其中4篇理论文章[5-8]，其中就有朱守华教授研究组的工作，同时配发了社论（Editorial）[9]。美国物理学会在线刊物Physics也进行了报道[10]，Physics一般精选《物理评论快报》上的一些工作进行报道。

在这篇文章中[5]，他们构造了一个弱耦合的可重整理论模型，可以自然解释新的疑似信号（见示意图）。质量为750GeV的粒子通过新的费米子作为中介，在胶子聚合过程中产生，随后通过同样的费米子作为中介衰变为两个光子。为了解释双光子信号实验，新的理论也揭示了它与暗物质之间深刻的联系。同时，它有诸多预言，比如预言存在新的粒子并预言了它们独特的相互作用，这些可在不远的将来，随着LHC实验搜集更多的数据，进行全面检验。

值得一提的是其他三种理论解释：[6]认为自然界存在新的强相互作用，[7]认为自然界存在超对称，[8]干脆否认存在质量为750GeV的新粒子。有趣的是，这4篇理论文章对于信号的理解至少有3篇是错误的，未来实验将支持哪种理论，人们拭目以待。

朱守华教授研究组一直从事超出标准模型新物理的研究，他们的研究得到了国家自然基金委，以及核物理和核技术国家重点实验室，kaiyun体育官方网站高能物理中心，量子物质科学2011协同创新中心的大力支持。

[1] J. Olsen, CMS 13 TeV Results, CERN special seminar 15 December 2015, https://indico.cern.ch/event/442432/contribution/0/attachments/1205563/1756687/CMS_13_TeV_results_public.pdf.

[2] M. Kado, Results with the Full 2015 Data Sample from the ATLAS Experiment, CERN special seminar 15 December 2015, https://indico.cern.ch/event/442432/contribution/1/attachments/1205572/1759985/CERN‑Seminar.pdf.

[3] M. Delmastro, Diphoton searches in ATLAS, 51st Rencontres de Moriond EW 2016 https://indico.in2p3.fr/event/12279/session/12/contribution/163/material/slides/1.pdf.

[4] P. Musella, Search for high mass diphoton resonances at CMS, 51st Rencontres de Moriond EW 2016 https://indico.in2p3.fr/event/12279/session/12/contribution/218/material/slides/0.pdf.

[5] G. Li, Y.-n. Mao, Y.-L. Tang, C. Zhang, Y. Zhou, and S.-h.Zhu, Pseudoscalar Decaying Only via Loops as an Explanation for the 750 GeV Diphoton Excess, Phys. Rev. Lett. 116,151803 (2016).

[6] Y. Nakai, R. Sato, and K. Tobioka, Footprints of New Strong Dynamics via Anomaly and the 750 GeV Diphoton, Phys.Rev. Lett. 116, 151802 (2016).

[7] C. Petersson and R. Torre, 750 GeV Diphoton Excess from the Goldstino Superpartner, Phys. Rev. Lett. 116, 151804 (2016).

[8] W. S. Cho, D. Kim, K. Kong, S. H. Lim, K. T. Matchev, J.-C.Park, and M. Park, 750 GeV Diphoton Excess May Not Imply a 750 GeV Resonance, Phys. Rev. Lett. 116, 151805 (2016).

[9] Editorial: Theorists React to the CERN 750 GeV Diphoton Data, Phys. Rev. Lett. 116, 150001 (2016).

[10] http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.116.151805