[論文レビュー] 750 GeV diphoton resonance at the ILC

H. Fujii, Junping Tian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）における $e^+e^- \to X\gamma$ 及び $e^+e^- \to XZ$ 反応を通じて、仮説的な 750 GeV の二光子共鳴状態（X）の直接生成を調査する。解析的振幅とフルデタクターシミュレーションを用いて、ILC がリコイル技術を用いて絶対断面積を測定でき、ブランチング比が十分に大きい場合、非電磁的崩壊モードおよび $b\bar{b}$ 崩壊モードを高い有意水準で発見可能であることを示している。

ABSTRACT

In this paper we study the direct production of the diphoton resonance $X$ which has been suggested by 2015 data at the LHC, in $e^+e^- o X\gamma/XZ$ processes at the ILC. We derive an analytic expression for the scattering amplitudes of these processes, and present a comprehensive analysis for determining the properties of $X$ at the ILC. A realistic simulation study for $e^+e^- o X\gamma$ is performed based on the full detector simulation to demonstrate the capabilities of the ILC experiment. Complementary to the searches at the LHC, prospects of the measurement of the absolute values of production cross-section are obtained for the ILC using recoil technique without assuming decay modes of $X$. In addition, we have studied the searches for $X o m{invisible}$ and $X o b\bar{b}$ modes, which are challenging at the LHC, and found that these decay modes can be discovered with high significance if their branching ratios are large enough.

研究の動機と目的

• ILC における $e^+e^- \to X\gamma$ 及び $e^+e^- \to XZ$ 反応を通じた 750 GeV 二光子共鳴状態（X）の直接生成を調査すること。
• 解析的散乱振幅とフルデタクターシミュレーションを用いて、X の性質を特定すること。
• X の崩壊モードを事前に仮定せずに、リコイル技術を用いて X の絶対生成断面積を測定すること。
• $X \to \text{非電磁的}$ 及び $X \to b\bar{b}$ といった難解な崩壊モードの発見可能性を調査すること。これらは LHC では困難である。

提案手法

• 共鳴状態生成をモデル化するため、$e^+e^- \to X\gamma$ 及び $e^+e^- \to XZ$ 反応の解析的振幅式を導出する。
• フルデタクターシミュレーションを用いて $e^+e^- \to X\gamma$ の現実的なシミュレーションを実施し、ILC の感度および再構成能力を評価する。
• X の生成断面積を、その崩壊モードを事前に知らなくてもよいリコイル技術を適用する。
• ILC 環境下での信号の有意水準を評価することで、$X \to \text{非電磁的}$ 及び $X \to b\bar{b}$ 崩壊モードの発見可能性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILC は、$e^+e^- \to X\gamma$ 及び $e^+e^- \to XZ$ 反応を通じて、750 GeV 二光子共鳴状態を高い精度で直接探査可能か？
• RQ2 X の崩壊モードを仮定せずに、ILC は X の絶対生成断面積をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 ブランチング比が十分に大きい場合、ILC は $X \to \text{非電磁的}$ 及び $X \to b\bar{b}$ 崩壊モードを高い有意水準で発見可能か？
• RQ4 ILC の能力は、LHC が 750 GeV 共鳴状態の性質を調べるのをどの程度補完するか？

主な発見

• リコイル技術を用いることで、ILC は X の崩壊モードを仮定せずに 750 GeV 二光子共鳴状態の絶対生成断面積を測定可能である。
• フルデタクターシミュレーションにより、ILC が $X\gamma$ 終状態を高い効率と解像度で再構成できる能力を確認した。
• ブランチング比が十分に大きい場合、欠落エネルギーのシグネチャにより $X \to \text{非電磁的}$ 崩壊モードは高い有意水準で発見可能である。
• $X \to b\bar{b}$ 崩壊モードについても、ILC では高い有意水準で発見可能であり、LHC の探索とは補完的なチャンネルを提供する。
• ILC は精度測定に適したクリーンな環境を提供し、LHC の結果に対する共鳴状態の性質に関する補足的制約を可能にする。