[論文レビュー] Triboson interpretations of the ATLAS diboson excess

J. A. Aguilar–Saavedra|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、ATLASの約2 TeVにおける二ボソン過剰が、2つのゲージボソンに加えてヒッグス粒子に崩壊する重い共鳴状態（「トリボソン」崩壊）によって説明可能であると提案している。この仮説により、ATLASの完全ハドロン系での過剰と、CMS/ATLASの半レプトン系でのnull結果との間にある矛盾が解消される。モデルは、ヘリシティ依存効率と分支比の抑制によって半レプトン系モードでの信号の不在を説明し、$\sigma_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$推定値において2.4σの不足（underfluctuation）を示しており、観測データと整合的である。

ABSTRACT

The ATLAS excess in fat jet pair production is kinematically compatible with the decay of a heavy resonance into two gauge bosons plus an extra particle. This hypothesis would explain the absence of such a large excess in the analogous CMS analysis of fat dijet final states, as well as the negative results of diboson resonance searches in the semi-leptonic decay modes. If the extra particle is the Higgs boson, this hypothesis might also explain -statistical fluctuations aside- why the CMS search for WH resonances in the semi-leptonic channel finds some excess while in the fully hadronic one it does not have a significant deviation.

研究の動機と目的

• ATLASの完全ハドロン系 $JJ$ チャネルにおける二ボソン過剰と、半レプトン系 $\ell\nu J$ および $\ell\ell J$ チャネルでの信号不在との間にある矛盾を解消すること。
• CMSが $JJ$ チャネルで過剰を観測しない一方でATLASが3.4σの過剰を観測する理由を説明すること。
• 重い共鳴状態が $WZ$、$ZZ$、または $WW$ に加えてヒッグス粒子に崩壊するかどうかを調査し、特に最終状態間での信号効率の不一致を説明できるかを検討すること。
• 特に $\ell\nu J$ および $\ell\ell J$ チャネルにおける、W/Zボソンのヘリシティ状態が半レプトン系最終状態での検出効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2 TeVの共鳴状態を仮定し、イベント数の比較と断面積推定を用いて $JJ$ チャネルと $\ell\nu J$ チャネルの期待信号yieldを比較する。
• 観測された $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 範囲における8イベントの過剰から、$\sigma_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$ を推定する。
• 2 TeVの共鳴状態 $R \to W^+W^-$ に対して、$R \to W^+W^-$ のヘリシティ依存崩壊分布を用い、高速な検出器シミュレーションによる効率補正を適用する。
• $\ell\nu J$ チャネルと $JJ$ チャネルの期待信号yieldを比較し、$JJ$ 過剰が $WZ$ 共鳴状態に起因する場合、$\ell\nu J$ チャネルでは2.4σの不足が生じることを示した。
• $W^+W^-$、$ZZ$、$WZ$ の崩壊におけるヘリシティ依存タギング効率を評価し、特に $\ell\nu J$ および $\ell\ell J$ 最終状態に注目する。
• 角運動量保存則とヘリシティ選択則を用いて、スピン0、スピン1、スピン2の共鳴状態が崩壊運動学および検出効率に与える影響をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASの約2 TeVにおける二ボソン過剰は、2つのゲージボソンに加えてヒッグス粒子に崩壊する共鳴状態によって説明可能か。この仮説により、半レプトン系でのnull結果との矛盾は解消されるか？
• RQ2 ATLASの $JJ$ チャネルでは3.4σの過剰が観測されているが、半レプトン系の $\ell\nu J$ チャネルでは顕著な信号がないのはなぜか。これは、より高い期待感度があるにもかかわらずである。
• RQ3 WおよびZボソンのヘリシティ状態は、特に $\ell\nu J$ および $\ell\ell J$ チャネルにおける半レプトン系最終状態での検出効率にどのように影響するか？
• RQ4 CMSとATLASの制限を考慮すると、スピン1の $WZ$、$ZZ$、$WW$ 共鳴状態の混合は $JJ$ 過剰を説明できるか？
• RQ5 ヘリシティ抑制は、半レプトン系モードでの信号効率を低下させる役割を果たすのか。また、それが観測された不足（underfluctuation）を説明できるか？

主な発見

• $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 範囲における観測された8イベントの過剰は、信号断面積×効率×分支比が0.39 fbに相当し、$\sigma_{WZ}^{[peak]} \approx 6$ fb、14%の効率を示唆している。
• 同じ断面積を $\ell\nu J$ チャネルに適用すると7件の追加イベントが予測されるが、背景が6.5件のため観測されたのは6件にとどまり、2.4σの不足が生じる。
• $W^+W^-$ 崩壊におけるヘリシティ依存効率の変動は小さく、最大で0.88（$(-1,1)$ ヘリシティ組み合わせ）のずれを示すが、これは矛盾を説明するには不十分である。
• $\ell\ell J$ チャネルではさらに小さな効率変動が見られ、$(-1,-1)$ ヘリシティの最大差は3%にとどまり、ヘリシティ効果だけでは差異を説明できない。
• 重い共鳴状態が $V_1V_2H$（トリボソン崩壊）に崩壊するモデルは、$JJ$ 過剰と半レプトン系での信号不在を一貫して説明可能である。これは、分支比の抑制とヘリシティ抑制によるものである。
• この仮説は、さらにCMSの $WH$ 共鳴探索でも、完全ハドロン系でのみずれが観測され、半レプトン系では観測されないという事実によって裏付けられており、同じ抑制メカニズムが適用されていると一致する。