[論文レビュー] A 750 GeV Diphoton Signal from a Very Light Pseudoscalar in the NMSSM

Ulrich Ellwanger, Cyril Hugonie|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVのダイフォトン過剰現象が、NMSSMにおいて重いCP偶性ヒッグス共振子が2つの非常に軽い擬スカラーボソン（A₁）に崩壊し、それぞれが凝集した光子や光子ジェットに続く崩壊を経るメカニズムによって説明可能であると提唱する。モデルは近似的なR対称性の極限に依存し、A₁の質量は約210 MeVまたは500–550 MeVの範囲にあり、検出器の受容率補正後、観測された信号断面積（最大6.7 fb）をうまく再現する。

ABSTRACT

The excess of events in the diphoton final state near 750 GeV observed by ATLAS and CMS can be explained within the NMSSM near the R-symmetry limit. Both scalars beyond the Standard Model Higgs boson have masses near 750 GeV, mix strongly, and share sizeable production cross sections in association with b-quarks as well as branching fractions into a pair of very light pseudoscalars. Pseudoscalars with a mass of ~ 210 MeV decay into collimated diphotons, whereas pseudoscalars with a mass of ~ 500-550 MeV can decay either into collimated diphotons or into three pi^0 resulting in collimated photon jets. Various such scenarios are discussed; the dominant constraints on the latter scenario originate from bounds on radiative Upsilon decays, but they allow for a signal cross section up to 6.7 fb times the acceptance for collimated multiphotons to pass as a single photon.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVダイフォトン過剰現象をNMSSMの枠組みで説明すること。
• 重いCP偶性ヒッグス共振子が2つの非常に軽い擬スカラーボソン（A₁）に崩壊し、その後それぞれが凝集した光子に崩壊する状況を調査すること。
• 観測された信号断面積を再現しつつ低エネルギー制約を満たす、NMSSMにおける妥当なベンチマークポイントを同定すること。
• ずらされた頂点や光子ジェット構造といった特徴的な実験的シグネチャを通じて、本モデルを従来のモデルと区別すること。

提案手法

• 近似的なR対称性の極限を用いて、質量が約210 MeVまたは約500–550 MeVの擬スカラーボソンA₁を生成するNMSSMを用いる。
• 重いCP偶性ヒッグス状態（H₂またはH₃）を、標準模型に類似したヒッグスとシングレットに類似したヒッグスの混合状態とモデル化し、質量は750 GeV付近、tanβの増幅によりbクォークとの結合が大きくする。
• 超電磁的項に三重項自己結合（κ）を導入し、X → A₁A₁の崩壊を媒介する（Xは750 GeVの共鳴子）。
• 検出器効果を考慮して、A₁が凝集したダイフォトンまたは三つのπ⁰ → 光子ジェットに崩壊する過程をモデル化し、これがカリブレーターで単一光子に見立てられる可能性を評価する。
• A₁がダウンタイプのクォークおよびレプトンと結合する割合を制限するため、放射性Υ崩壊（例：Υ → γ + η）の制約を適用する。
• A₁の質量と崩壊モードを変化させたベンチマークポイント（BP1–BP4）を分析し、信号断面積と検出器受容率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMにおいて、750 GeVのダイフォトン過剰現象が2体崩壊（A₁A₁）によって説明可能か？
• RQ2 観測された信号断面積を再現しつつ低エネルギー制約を満たすために必要な、軽い擬スカラーボソンA₁の質量および結合定数の範囲は何か？
• RQ3 A₁の崩壊モード（ダイフォトン vs. 三つのπ⁰ → 光子ジェット）が、検出器内で単一光子として検出される信号に与える影響は何か？
• RQ4 長寿命のA₁状態によるずらされた頂点は、従来の共鳴子と区別するための特徴的なシグネチャを提供できるか？
• RQ5 近似的なR対称性が、軽い擬スカラーボソンの安定化およびモデルの妥当性に果たす役割は何か？

主な発見

• 受容率補正後の観測されたダイフォトン信号断面積（最大6.7 fb）を、ATLASおよびCMSのデータと整合的に再現する。
• A₁質量が約210 MeVの場合、凝集したダイフォトンへの崩壊が支配的であり、崩壊長はメートルオーダーとなり、ずらされた頂点を形成する。
• A₁質量が約500–550 MeVの場合、三つのπ⁰（光子ジェットを生成）への崩壊が可能で、部分子レベルでのμ⁺μ⁻への分岐比は6–8%程度である。
• BP1ベンチマークポイントでは、750 GeVの共鳴子がZ + A₁に25%の分岐比で崩壊し、Z + γシグネチャに類似した振る舞いを示す。
• 放射性Υ崩壊（例：Υ → γ + η）からの制約により、A₁がダウンタイプのクォークおよびレプトンと結合する割合は制限されるが、依然として妥当な信号断面積が得られる。
• 本モデルは、ずらされた頂点、光子ジェット構造、多体最終状態といった特徴的なシグネチャにより、従来のモデルと明確に区別される。