[論文レビュー] The LHC Diphoton excess at 750 GeV in the framework of the Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model

Debajyoti Choudhury, Kirtiman Ghosh|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、LHCで観測された750 GeVの二光子過剰現象が、制約付き最小超対称標準模型（cMSSM）における相対論的ストップオニウム（トップ超対称クォークの束縛状態）によって説明可能であると提唱する。軽量で長寿命のストップ（電弱スケールに近い質量を持つ）が、最軽い中性ノイザーと準縮退している場合、そのストップオニウムがループ誘導型グリトン融合経由で二光子に崩壊し、観測された信号強度と幅を再現可能であることが示されている。特に、束縛パラメータの特定の範囲でそのような再現が可能である。

ABSTRACT

We examine the observed diphoton excess at 750 GeV in the framework of constrained Minimal Supersymmetric Standard Model (cMSSM). The consistency of cMSSM with the discovery of a 125 GeV Higgs boson and PLANCK/WMAP data for dark matter relic density (RD) demands large mixing in the scalar top (stop) sector and consequently, the existence of a light stop quasi-degenerate with the lightest neutralino. Small decay width due to kinematic and loop suppression of such a stop allows for the existence of stop-antistop bound states (stoponia). Identifying the particular part of cMSSM parameter space consistent with Higgs boson mass as well as RD, we study stoponia as the source of the diphoton excess.

研究の動機と目的

• LHCラン2のデータで観測された750 GeVの二光子共鳴状態を、well-motivatedなcMSSMフレームワーク内で説明すること。
• 軽量のストップと最軽い中性ノイザーが準縮退するcMSSMパラメータ領域を特定し、ストップオニウム形成を可能にする条件を同定すること。
• ストップオニウムが観測された二光子信号強度と崩壊幅を再現可能であり、ヒッグス粒子質量およびダークマターの残存密度制約と整合することを示すこと。
• LHCおよび将来の$e^+e^-$衝突機におけるストップオニウムおよびその成分の検出可能なシグナチャーを提案すること。

提案手法

• R-パリティ保存を仮定した制約付き最小超対称標準模型（cMSSM）を採用し、物理的意味のあるダークマター候補を保証する。
• 125 GeVのヒッグス粒子質量およびPLANCK/WMAPによるダークマターの残存密度制約を課し、妥当なパラメータ空間を制限する。
• ストップの混合が大きく、ストップと最軽い中性ノイザーとの質量差が小さいパラメータ点を特定し、長寿命のストップおよびストップオニウム形成を可能にする。
• 相対論的束縛状態の波動関数を用いて、ループ誘導型グリトン融合経由でのストップオニウム生成断面積および二光子ブランチ比を計算する。
• NLO補正および励起状態の影響を評価し、許容パラメータ領域がわずかにシフトするが、本質的な結果に変化がないことを示す。
• コライダーのシグナチャーを提案：ブーストされたトップジェット + 大きな$ p_T\! olimits/ $ および同符号トップ対。100 fb⁻¹の統計量における信号率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子過剰現象は、cMSSMフレームワーク内でのストップオニウムによって説明可能か？
• RQ2 cMSSMのどのパラメータ領域で、軽量で長寿命のストップと準縮退した最軽い中性ノイザーが得られ、ストップオニウム形成が可能になるか？
• RQ3 観測された二光子信号強度および幅は、ループ誘導型グリトン融合によるストップオニウム生成と整合的か？
• RQ4 準縮退したストップと中性ノイザーを持つcMSSMにおいて、ストップオニウムおよびその成分の検出可能なコライダーのシグナチャーは何か？
• RQ5 NLO補正および励起状態は、二光子過剰現象の解決策としてのストップオニウムの妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• ループ誘導型グリトン融合によるストップオニウム生成は、13 TeVのLHCで観測された約10 fbの二光子信号強度を再現可能であり、ATLASおよびCMSのデータと整合的である。
• 束縛パラメータの範囲$ 2.32~{\rm GeV} < \Delta < 8.24~{\rm GeV} $で、二光子幅が再現可能である。ここで$ \Delta $は、原点における波動関数および束縛エネルギーに関連する量である。
• 二光子へのブランチ比は依然として支配的であり、$ \Gamma_{\gamma\gamma} \ll \Gamma_{gg} $を満たすため、二光子チャネルが主な崩壊モードとなる。
• モデルは観測可能なシグナチャーを予測する：2つのブーストされたトップジェット + 大きな$ p_T\! olimits/ $ で、100 fb⁻¹の統計量における信号率は、BP1、BP2、BP3でそれぞれ45、13、7イベントである。
• 同符号トップ対は特に有望なシグナチャーである。非一様なゲージノ質量を導入することでグルーギノ質量を低下させ、信号を増幅可能である。
• 将来の$ e^+e^- $線形衝突機は、ストップオニウムの複数の$ nP $状態を閾値スキャンにより解明可能であり、直接的確認が可能となる。