[論文レビュー] Can the $ 750\, GeV$ enhancement be a signal of light magnetic monopoles?

L.N. Epele, H. Fanchiotti+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、低質量モノポールと整合性があることから、$β$-結合スキームを用いて、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子エネルギー増強が、磁気モノポールの束縛状態（モノポリウム励起状態）である可能性を検討している。その結果、モノポール質量が390–400 GeVで、モノポリウム状態が710 GeV、二光子への分岐比が数パーセントの場合、観測された断面積（約100 fm/GeV）を再現可能であり、同時に閾値付近に広がった$m\bar{m}$消失背景を予測する。

ABSTRACT

The announced ~ 3 σ enhancement in the inclusive γ γ -spectrum at ~ 750 GeV made by the ATLAS and CMS collaborations at LHC might indicate the existence of a monopole-antimonopole bound state: monopolium. In here we revisit our calculation of 2012 from a more general perspective and see that this resonance, if confirmed, might be a first signal of the existence of magnetic monopoles.

研究の動機と目的

• LHCにおける750 GeVの二光子エネルギー増強が、磁気モノポールの束縛状態（モノポリウム状態）を示す可能性を調査すること。
• 特に低質量モノポールと整合性があることから、$β$-結合スキームを用いた磁気モノポールがこの共鳴状態の説明として妥当かどうかを評価すること。
• 観測された断面積と共鳴幅を一致させることで、モノポール質量および結合エネルギーを制約すること。
• モノポリウム崩壊とモノポール-反モノポール消失の相乗作用、特に閾値付近に予測される広がった背景の相互作用を検討すること。
• 二光子信号と既存のLHCデータおよびモノポール結合に関する理論的制約を両立する現象論的妥当なモデルを提供すること。

提案手法

• モノポール-光子結合が中心系フレームにおけるモノポール速度に依存する$β$-結合スキームを用い、閾値で小さな結合定数が得られるようにする。
• モノポリウム断面積をモデル化するため、Breit-Wigner共鳴形を用い、全幅$\Gamma_{\text{Tot}} = 50$ GeVおよび2光子分岐比が数パーセントとなるように設定する。
• 陽子-陽子衝突における有効光子フラックスを計算するため、Weizsäcker-Williams近似を適用し、$\gamma\gamma \to M \to \gamma\gamma$断面積の計算を可能にする。
• p-p衝突における非弾性、準弾性、弾性過程を考慮し、畳み込み積分$\mathcal{L}(E)$を用いて全位相空間にわたる積分を実行する。
• $\beta$-スキームにおける$\beta_s = \sqrt{1 - M^2/E^2}$を用いた運動量依存性を持つ式を用いて、モノポリウム崩壊幅$\Gamma(E)$を計算する。
• モノポリウム信号と、モノポール質量が小さくなるほど増加するモノポール-反モノポール消失断面積を比較し、妥当なパrameter空間を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子エネルギー増強は、軽い磁気モノポールから形成されるモノポリウム状態によって説明可能か？
• RQ2 観測された共鳴断面積と幅を再現するには、どのモノポール質量と結合エネルギーが必要か？
• RQ3 結合スキームの選択（デイジ・結合対$\beta$-結合）が、モノポリウム解釈の妥当性にどのように影響するか？
• RQ4 二光子スペクトルにおいて、狭いモノポリウムピークと広がったモノポール-反モノポール消失背景の間には、どのような相互作用が予想されるか？
• RQ5 観測された二光子信号は、モノポリウムの全崩壊幅および2光子分岐比にどのような制約を課えるか？

主な発見

• モノポール質量390 GeV、モノポリウム状態710 GeV、2光子分岐比が数パーセントの場合、断面積は約100 fm/GeVに達し、観測された750 GeVの増強と整合する。
• $β$-結合スキームは、この解釈にとって不可欠である。なぜなら、ディラック結合では閾値で許容できないほど大きな結合定数が得られ、低質量モノポールを排除するからである。
• 運動量依存性を持つ$β$-結合により、共鳴ピークはモノポリウム質量から40–50 GeVだけずれており、観測された増強の位置と一致する。
• モノポール-反モノポール消失は閾値付近に広がったバンプを生じるが、これが過剰に生成されのを避けるためには抑制が必要であり、これによりモノポール質量は370–400 GeVに制限される。
• このモデルは二重バンプ構造を予測する：モノポリウム崩壊による約710 GeVの狭いピークと、$m\bar{m}$消失による広がった背景が、両方とも二光子チャンネルで検出可能である。
• 2光子分岐比をさらに小さくする、または全幅を50 GeV以上に大きくすることで、$m\bar{m}$背景をさらに抑制可能となり、これにより結合エネルギーおよびモノポール質量をより大きくしても、データと整合性を保てるようになる。