[論文レビュー] Pseudoscalar Gluinonia to 750 GeV LHC Diphotons

C. T. Potter|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子過剰現象を、質量が約380 GeVの2つのグルイノが強い相互作用によって形成する準スカラーグルイノニウム状態（gluinonia）として説明する可能性を提案している。このモデルでは、予想される信号強度に対して40倍の増幅が必要であり、これは原点における波動関数の過小評価を仮定することで達成される。また、さまざまな結合エネルギーを持つ励起状態の系列を用いることで、観測された約40 GeVの幅が再現される。

ABSTRACT

Interpreting the diphoton mass excesses near 750~GeV reported by ATLAS and CMS as pseudoscalar gluinonia, bound states of two gluinos, we perform a scan in Next-to-Minimal Supersymmetry parameter space, fixing $m_{ ilde{g}}\approx 380$~GeV and identifying an experimentally viable point. We generate events with this point, perform fast simulation, and carry out an analysis modeled on the ATLAS search which reproduces features of the diphoton excess. This interpretation requires an enhancement of the signal strength above the nominal rate found in the literature and neglecting the gaugino mass unification constraint $M_{3}\approx 3M_{2}$.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが報告した750 GeVの二光子過剰現象を、2つのグルイノの束縛状態（グルイノニウム）として説明すること。
• 既存のLHC除外限界を回避できる、軽いグルイノ質量（約380 GeV）を持つ次に最小限の超対称性（NMSSM）の妥当なベンチマーク点を特定すること。
• 二光子過剰現象の主な特徴（特に広い幅（約40 GeV）と信号強度）を、高速シミュレーションおよびATLASに類似した解析を用いて再現すること。
• 予想される信号強度の増幅が、名目予測値を大きく上回る必要がある理由を検討し、その増幅の背後にあるメカニズムを調査すること。

提案手法

• NMSSMTools4を用いてNMSSMパラメータ空間を走査し、$m_{\tilde{g}} \approx 380$ GeVを固定し、グルアインォ質量の統一制約$M_3 \approx 3M_2$を緩和することで、軽いグルイノを可能にする。
• Pythia8を用いてベンチマーク$\tilde{g}_{380}$のイベントを生成し、グルイノ対生成およびその後のグルイノニウム状態の形成をシミュレートする。
• Delphes3.2.0を用いて高速デティクターサイミュレーションを実施し、$\sqrt{s} = 13$ TeVでのデティクター応答をモデル化する（ATLASカードを使用）。
• ATLASの二光子探索選択基準を再現：$|\eta_\gamma| < 2.37$、光子分離（$E_{\text{cal}}^{0.4}/E_\gamma < 0.022$）、および横方向エネルギーのしきい値（$E_T^\gamma > 30$ GeV、1つは$>40$ GeV）。
• 二光子質量スペクトルに二重側クリスタルボール関数をフィットし、背景過程（$qq\rightarrow\gamma\gamma$、$qg\rightarrow q\gamma\gamma$、$gg\rightarrow\gamma\gamma$）と比較する。
• 信号効率（約40％）を評価し、CheckMATEを用いてATLAS/CMSの除外限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が約380 GeVの準スカラーグルイノニウムは、ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子過剰現象を説明できるか？
• RQ2 750 GeVの二光子過剰現象を再現するため、$pp \rightarrow G_1 \rightarrow \gamma\gamma$の信号強度に必要な増幅は何倍か？
• RQ3 グルイノニウムの励起状態の系列は、観測された広い幅（約40 GeV）にどのように寄与するか？
• RQ4 名目予測値の信号強度が不十分である理由は何か？また、不足している増幅を説明するメカニズムは何か？

主な発見

• 信号強度$\sigma_{pp\rightarrow G_1} \times BR(G_1\rightarrow\gamma\gamma)$を750 GeVの二光子過剰現象を再現するためには、40倍の増幅が必要であり、これは40％の信号効率を仮定した場合に成立する。
• 広い二光子幅（約40 GeV）は、結合エネルギーが異なるグルイノニウム状態の系列により再現される：$E_b^n = E_b^1 / n^2$、ここで$E_b^1 \approx 20$ GeVは基底状態の値である。
• すべての励起状態の全断面積は$\sigma \approx 1.2\sigma_1$であり、$\sqrt{s} = 14$ TeVにおける$\sigma_1 \approx 4$ pbを用いて、幅が狭い近似を適用する。
• 名目信号強度は$\approx 0.2$ fbであり、観測された$\approx 8$ fbに達するには約40倍の増幅が必要である。そのうち$\times 10$は未知のメカニズム、$\times 4$は波動関数の不確実性に起因するとされる。
• グルアインォ質量の統一制約$M_3 \approx 3M_2$を緩和することで、ベンチマーク$\tilde{g}_{380}$はLHCラン2の制約を満たす。
• 全選択処理後のシミュレートされた二光子スペクトルはATLASデータと一致し、幅は約40 GeV、信号＋背景のフィットは観測された過剰現象と整合的である。