The 750 GeV di-photon excess at Future colliders

Yoshitaro  Takaesu    U  of  Tokyo

In  collaboration  with  H.Ito  and  T.Moroi:  1601.01144

ATLAS  and  CMS  observed  an  excess  @  m�� � 750 GeV

Properties  of  the  750  GeV  resonance

p

p

�

��

m� � 750 GeV

arXiv:1601.03696

� O(1) fb

�� � 50 GeV?

spin  0  or  2

We  consider          spin  0          Narrow  width  resonance    in  this  talk.

Effective  theory  for  the  750  GeV  resonance

* We  consider  a  750  GeV  pseudo-‐‑‒scalar  in  this  talk.        (Partial  decay  widths  are  almost  the  same  for  scalar  case.)  * We  do  not  discuss  the  origin  of  this  effective  interactions.

1���

1��Z

1�ZZ�

� �

Z

Z

Z

1�2

W+

W�1�3 g

g

1���

=cos2 �W

�1+

sin2 �W

�2

1��Z

= 2 sin �W cos �W

�� 1

�1+

1�2

�

Check  the  decay  modes  as  much  as  possible!                (Only            mode  is  observed  so  far.)��

Le� =��1

Bµ�B̃µ� +��2

W iµ�W̃ iµ� +

��3

Gaµ�G̃aµ�

Partial  decay  width  of  the  750  GeV  scalar

(m� � mZ ,mW )

1���

=cos2 �W

�1+

sin2 �W

�2

1��Z

= 2 sin �W cos �W

�� 1

�1+

1�2

�

1�ZZ

=sin2 �W

�1+

cos2 �W

�2

�

�

�

Parameterization  

Λ1:  output    (irrelevant  to  this  Talk)  

                         :  free  parameters  (                          )  �� � m�

�1, �2, �3, �� :  model  parameters      (allowing  invisible  decay)

�(pp� �� ��) � �gg���

��

C13TeVgg

m�spp(NWA,  gluon  fusion)C13 TeV

gg :  PDF  factor

�1

�2,

�3

�1, ��

Total  width  and  Λ1

�� = ��� + ��Z + �ZZ + �WW + �gg =�gg���

�(pp� �� ��)C13TeV

gg

m�spp

to  explain  the  excess

LHC  cross  sections  (EW)

�Z

��

= 6 fb�(pp� �� AB) � �(pp� �� ��)� Br(�� AB)

Br(�� ��)

ZZ

WW

LHC  Run-‐‑‒I  constraint

�Z

��

Run-‐‑‒I�Z

95%  C.L.  exclusion

ZZ

WW

Λ1/Λ2  <  -‐‑‒0.5  and  Λ1/Λ2  >  6  were  excluded  (γZ).  

ATLAS:  1407.81501512.04933

EW  Sensitivity  at  the  HL-‐‑‒LHC    3 ab�1

EW  decay  modes  may  not  be  detected  at  the  LHC                                                                                        if    0  <  Λ1/Λ2  <  1.5.

95%  C.L.  exclusion

�Z

��

ZZ

WW

Run-‐‑‒I�Z

HL-‐‑‒LHC 3 ab�1

�Z andZZZZ

ATL-‐‑‒PHYS-‐‑‒PUB-‐‑‒2013-‐‑‒016  (ZZ)1512.05542  (γZ)

LHC  cross  sections  (gg)

Run-‐‑‒I�Z

gg  decay  mode  depends  on  Λ3/Λ1.

Λ3/Λ1  =  0.1

Λ3/Λ1  =  1

Λ3/Λ1  =  10gg

gg  Sensitivity  at  the  HL-‐‑‒LHC  

Run-‐‑‒I�Z

gg  decay  mode  may  not  be  detected  if  Λ3/Λ1  >  1.

HL-‐‑‒LHC  3/ab    95%  exclusion  (rough  estimate)

3 ab�1

ATL-‐‑‒PHYS-‐‑‒PUB-‐‑‒2015-‐‑‒004:  di-‐‑‒jet  limit  QBH  (750  GeV)  with  50%  acceptance

Λ3/Λ1  =  0.1

Λ3/Λ1  =  1

Λ3/Λ1  =  10gg

How  to  search                  the  unexplored  region  ?

1TeV  ILC  ?Cross  sections

(1TeV)・ILC�(ee� �X � AAX) � 1

�21

�̃(ee� �X)[�1/�2]1

���

����AA

��

� �̃(ee� �X)[�1/�2]1

�̃�� [�1/�2]�(pp� �� ��)

kA

1TeV  ILC  ?

How  about    1TeV  Photon  LC  ?

gg  or  di-‐‑‒boson  modes  are  detectable  at                    ?    (under  investigation)

if  we  can  have  a  1TeV  ILC  ..

�gg < 0.012 fb

1 ab�1

Photon-‐‑‒Photon  collider  option

Cross  section  at  Photon  collider

(NWA)

gluon  fusion:

photon  fusion: k� � 240 [fb/GeV]

� 8000 [fb/GeV]

(A = g, �)

(13TeV)

A

A�AA

kg =�2C13 TeV

gg

8m�spp

C13 TeVgg :  PDF  factor

(1601.00638)

(1TeV)

�(pp� �� ��) � kA�AA���

��

�(�� � �� AA) �C1TeV

��

m�see

����AA

��

�C1TeV

��

m�see

1kA

�(pp� �� AA)

C1TeV�� :  photon  luminosity  factor

Background  estimation

Sensitivity  to  detect  the  VVʼ’  decay  mode

=  0.9

for  γγ  final  statefor  other  final  states

(well  covering        detector  resolusion,      for  narrow  width  signal)

 　Detectability  at            collider        � �

1.  Λ3/Λ1  =  1  (gluon  fusion  Φ  production  @  LHC)gg  mode  is  easily  detected.    Three  EW  di-‐‑‒boson  modes  are  detected  at                  .

Lee = 1ab�1

1 ab�1

 　Detectability  at            collider        � �

2.  Λ3/Λ1  =  50  (photon  fusion  Φ  production  @  LHC)EW  di-‐‑‒boson  modes  are  easily  detected.      Even  gg  mode  would  be  detected  at                  .  (BG  ~∼  24  fb)1 ab�1

For  5σ  detectionWW:  >  10  fb      ZZ:  >  1  fb      γZ:  >  0.8  fb      gg:  >  1  fb

Summary

We  discussed  the  detectability  of  decay  modes  of  750  GeV  scalar/pseudo-‐‑‒scalar  at  future  colliders,  assuming  a  simple  effective  Lagrangian.

1TeV  photon  collider  (ILC?)  would  be  useful    to  explore  beyond  the  reach  of    the  LHC.

Width?  Invisible  decay?  CP  property?