[論文レビュー] Features in the Standard Model diphoton background

Kyrylo Bondarenko, Alexey Boyarsky+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、標準模型の二光子背景に見られるバッチ状の特徴——ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの過剰ピークのようなもの——が、キャリブレーションの粗さに起因する光子の誤識別によって生じる可能性があると提唱している。具体的には、$\eta \to 3\pi^0 \to 6\gamma$ という崩壊経路を経る$\eta$メソンが、カリブレーターのピクセル分解能に起因して複数の光子が1ピクセルに凝集することで、単一の光子として誤識別される可能性がある。シミュレーションの結果、この効果により二光子インバリアント質量スペクトルに750 GeV付近にピークが現れ、標準模型背景が滑らかであるという仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

We argue that electromagnetic decays of energetic unflavoured neutral mesons, notably $η$, mis-identified as single photons due to granularity of the electromagnetic calorimeter might create bump-like features in the diphoton invariant mass spectrum at different energies, including 750 GeV. We discuss what kind of additional analysis can exclude or confirm this hypothesis.

研究の動機と目的

• 検出器の分解能に起因する、特に$\eta$メソンが二光子インバリアント質量スペクトルにバッチ状の特徴を生じる可能性があるかどうかを調査すること。
• $\eta \to 3\pi^0 \to 6\gamma$ 崩壊が、単一の光子として誤識別され、二光子スペクトルに人工的なピークを生じるという仮説を評価すること。
• このような効果が、ニューサイエンスを仮定せずに、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子過剰ピークを説明できるかどうかを評価すること。
• この特徴が背景由来であるかどうかを確認または除外するための実験的検証法を同定すること。
• ピークの正規化と形状を定量化するためのフル検出器シミュレーションおよびモンテカルロ解析の重要性を強調すること。

提案手法

• $\eta$メソンの静止系における$\eta \to 3\pi^0 \to 6\gamma$ 崩壊からの光子の空間的配分を、$3\pi^0$崩壊が等方的であると仮定し、TGenPhaseSpaceを用いてn体崩壊をシミュレートする。
• 実験フレーム（ラボフレーム）における$\eta$メソンのエネルギーおよび角度分布を、ローレンツ因子$\gamma$を用いた相対論的位相空間分布でモデル化する。
• ATLASおよびCMSの電磁カリブレーターの分解能に基づいた検出器応答モデルを適用し、ピクセルサイズの閾値（$\Delta\eta \approx 0.003-0.025$、$\Delta\phi \approx 0.1$）を用いて光子の凝集を模擬する。
• 光子のエネルギーおよび角度分布を検出器のピクセル応答関数と畳み込み、複数の光子が単一の孤立信号として誤識別される確率を推定する。
• 相対論的インバリアント質量の式を用いて、2つの誤識別された$\eta$由来の光子を組み合わせ、二光子インバリアント質量スペクトルを生成する：$m_{2\eta} = \sqrt{E_1E_2 - p_1p_2\cos\alpha}$。
• 得られたスペクトルを、ATLASおよびCMSの検出器構成で観測された750 GeVの過剰ピークと比較し、CMSの広い分解能によりピークが約5.8倍低いエネルギーにシフトする点に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\eta \to 3\pi^0 \to 6\gamma$ 崩壊が、カリブレーターの分解能に起因して誤識別された場合、二光子インバリアント質量スペクトルにバッチ状の特徴を生じるか？
• RQ2 ATLASおよびCMSの検出器の異なる分解能を考慮した場合、そのようなバッチの期待されるエネルギースケールと形状は何か？
• RQ3 誤識別確率は、$\eta$メソンのエネルギー、ローレンツブースト、および検出器のピクセルサイズにどのように依存するか？
• RQ4 より強い光子分離条件を課すと、観測された特徴が抑制されるか？これは仮説の検証に役立つだろうか？
• RQ5 ATLASで観測された750 GeVの二光子過剰ピークは、この背景効果と整合的か、それともニューサイエンスの必要があるか？

主な発見

• シミュレーションの結果、$\eta \to 3\pi^0 \to 6\gamma$ 崩壊が、ATLAS検出器構成において約750 GeV付近にピークを持つバッチ状の特徴を二光子インバリアント質量スペクトルに生じることが示された。
• ピークは、増加する誤識別確率と低下する高エネルギー$\eta$メソンの数の畳み込みに起因し、単調でない背景形状を生じる。
• ピークの位置は検出器の電磁カリブレーターの分解能に依存し、CMSの粗い分解能により、ATLASと比較して約5.8倍低いエネルギーにピークがシフトする。
• $\pi^0$の二光子崩壊とは異なり、$\eta$崩壊からの光子が元の方向から逸れる割合は広がっているが、大部分のエネルギーは依然として$\eta$メソンのブースト方向に沿った光子が担っている。
• $\eta$崩壊エネルギーの大部分が1ピクセルに堆積する確率は高く、特に$\eta$メソンの進行方向付近の光子では、誤識別確率が高くなる。
• フル検出器シミュレーションおよびモンテカルロ解析が行われない限り、ピークの正規化は特定できないが、定性的には妥当であり、750 GeVの過剰ピークの説明に関連する可能性がある。