[논문 리뷰] 750 GeV diphoton resonance at the ILC

H. Fujii, Junping Tian외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(ILC)에서 $e^+e^- \to X\gamma$ 및 $e^+e^- \to XZ$ 반응을 통해 750 GeV의 가상의 이광자 공명체(X)의 직접 생성을 조사한다. 분석적 진폭과 완전한 검출기 시뮬레이션을 사용하여, ILC가 반동 기법을 통해 절대 단면적을 측정하고, 투명한 붕괴 모드 및 $b\bar{b}$ 붕괴 모드를 높은 유의미성으로 발견할 수 있음을 보여준다. 이는 붕괴 분율이 충분히 크다면 가능하다.

ABSTRACT

In this paper we study the direct production of the diphoton resonance $X$ which has been suggested by 2015 data at the LHC, in $e^+e^- o X\gamma/XZ$ processes at the ILC. We derive an analytic expression for the scattering amplitudes of these processes, and present a comprehensive analysis for determining the properties of $X$ at the ILC. A realistic simulation study for $e^+e^- o X\gamma$ is performed based on the full detector simulation to demonstrate the capabilities of the ILC experiment. Complementary to the searches at the LHC, prospects of the measurement of the absolute values of production cross-section are obtained for the ILC using recoil technique without assuming decay modes of $X$. In addition, we have studied the searches for $X o m{invisible}$ and $X o b\bar{b}$ modes, which are challenging at the LHC, and found that these decay modes can be discovered with high significance if their branching ratios are large enough.

연구 동기 및 목표

• ILC에서 $e^+e^- \to X\gamma$ 및 $e^+e^- \to XZ$ 반응을 통해 750 GeV 이광자 공명체(X)의 직접 생성을 탐색한다.
• 분석적 산란 진폭과 완전한 검출기 시뮬레이션을 사용하여 X의 성질을 규명한다.
• 붕괴 모드를 사전 가정하지 않고 반동 기법을 활용하여 X 생성의 절대 생성 단면적을 측정한다.
• LHC에서 어려운 투명한 붕괴 모드인 $X \to \text{투명}$ 및 $X \to b\bar{b}$의 발견 가능성을 조사한다.

제안 방법

• 공명체 생성을 모델링하기 위해 $e^+e^- \to X\gamma$ 및 $e^+e^- \to XZ$ 반응의 분석적 표현을 유도한다.
• 완전한 검출기 시뮬레이션을 사용하여 $e^+e^- \to X\gamma$의 현실적인 시뮬레이션을 수행하여 ILC의 감도 및 재구성 능력을 평가한다.
• 붕괴 모드를 사전 알지 못한 상태에서 X 생성의 절대 단면적을 반동 기법을 적용하여 측정한다.
• ILC 환경에서 신호의 유의미성을 평가하여 $X \to \text{투명}$ 및 $X \to b\bar{b}$ 붕괴 모드의 발견 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC는 고정밀도로 $e^+e^- \to X\gamma$ 및 $e^+e^- \to XZ$ 반응을 통해 750 GeV 이광자 공명체를 직접 탐사할 수 있는가?
• RQ2 ILC는 붕괴 모드를 가정하지 않고 X의 절대 생성 단면적을 어느 정도 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 만약 붕괴 분율이 충분히 크다면, ILC는 $X \to \text{투명}$ 및 $X \to b\bar{b}$ 붕괴 모드를 높은 유의미성으로 발견할 수 있는가?
• RQ4 ILC의 능력은 LHC의 능력과 어떻게 상호보완되어 750 GeV 공명체의 성질을 탐색하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 반동 기법을 사용함으로써 ILC는 붕괴 모드를 가정하지 않고 750 GeV 이광자 공명체의 절대 생성 단면적을 측정할 수 있다.
• 완전한 검출기 시뮬레이션은 ILC가 $X\gamma$ 최종 상태를 높은 효율성과 해상도로 재구성할 수 있음을 확인한다.
• 붕괴 분율이 충분히 크다면, 부족 에너지 서명으로 인해 $X \to \text{투명}$ 붕괴 모드는 높은 유의미성으로 발견 가능하다.
• $X \to b\bar{b}$ 붕괴 모드 역시 ILC에서 높은 유의미성으로 발견 가능하며, LHC 탐색과 상호보완적인 채널을 제공한다.
• ILC는 정밀 측정에 적합한 청결한 환경을 제공하여, LHC 결과에 대한 공명체 성질에 대한 보완적 제약 조건을 가능하게 한다.