[논문 리뷰] Can the $ 750\, GeV$ enhancement be a signal of light magnetic monopoles?

L.N. Epele, H. Fanchiotti외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS와 CMS에서 관측한 750 GeV 이중광자 증폭 현상이 자기장점입자의 유도 상태인 단일점입자 상태일 수 있는지를 조사한다. 이는 낮은 점입자 질량과의 호환성 덕분에 $β$-결합 체계를 사용하여 수행된다. 연구 결과, 390–400 GeV의 점입자 질량과 710 GeV의 단일점입자 상태, 그리고 이중광자 채널으로의 몇 퍼센트의 분해비율을 가진 경우 관측된 단면적(~100 fm/GeV)을 재현할 수 있으며, 同시에 임계점 근처에 넓은 $m\bar{m}$ 상호작용 배경을 예측한다.

ABSTRACT

The announced ~ 3 σ enhancement in the inclusive γ γ -spectrum at ~ 750 GeV made by the ATLAS and CMS collaborations at LHC might indicate the existence of a monopole-antimonopole bound state: monopolium. In here we revisit our calculation of 2012 from a more general perspective and see that this resonance, if confirmed, might be a first signal of the existence of magnetic monopoles.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 증폭 현상이 자기장점입자의 결합 상태인 단일점입자 상태일 수 있는지 탐색한다.
• 특히 낮은 점입자 질량과의 호환성 덕분에 $β$-결합 체계에서의 자기장점입자가 이 공명 현상의 설명으로서 타당한지 평가한다.
• 관측된 단면적과 공명 너비를 일치시킴으로써 점입자 질량과 결합 에너지를 제약한다.
• 단일점입자 붕괴와 점입자-반점입자 상호작용 간의 상호작용, 특히 임계점 근처에 예측된 넓은 배경을 고려한다.
• 이중광자 신호와 기존 LHC 데이터 및 점입자 결합 상수에 대한 이론적 제약을 동시에 만족시키는 현상학적으로 타당한 모델을 제공한다.

제안 방법

• 점입자-광자 결합이 중심질량 프레임에서의 점입자 속도에 따라 달라지는 $β$-결합 체계를 사용하여, 임계점에서의 결합 상수가 작아지도록 한다.
• 단일점입자 단면적을 모델링하기 위해 브라이트-바이저 공명 형식을 적용하며, 총 너비 $\Gamma_{\text{Tot}} = 50$ GeV 이고 이중광자 분해비율이 몇 퍼센트 수준임을 가정한다.
• 프로톤-프로톤 충돌에서 효과적 광자 플럭스를 계산하기 위해 Weizsäcker-Williams 근사를 적용하여 $\gamma\gamma \to M \to \gamma\gamma$ 단면적을 계산한다.
• p-p 충돌에서 비탄성, 부분탄성, 탄성 과정을 고려하기 위해 전 단계 공간 전체에 대해 콘볼루션 적분 $\mathcal{L}(E)$를 통합한다.
• $\beta$-체계에서 $\beta_s = \sqrt{1 - M^2/E^2}$로 주어지는 운동량 의존 표현식을 사용하여 단일점입자 붕괴 너비 $\Gamma(E)$를 계산하며, 이는 점입자 질량 $m$ 과 단일점입자 질량 $M$ 을 포함한다.
• 단일점입자 신호와 점입자-반점입자 상호작용 단면적을 비교하여 타당한 매개변수 공간을 제약한다. 이 단면적은 점입자 질량이 감소함에 따라 증가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 증폭 현상은 가벼운 자기장점입자가 형성한 단일점입자 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 공명 단면적과 너비를 재현하기 위해 필요한 점입자 질량과 결합 에너지는 무엇인가?
• RQ3 결합 체계 선택(디랙 대비 $\beta$-결합)이 단일점입자 해석의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중광자 스펙트럼에서 좁은 단일점입자 피크와 넓은 점입자-반점입자 상호작용 배경 간의 상호작용은 어떻게 기대되는가?
• RQ5 관측된 이중광자 신호는 단일점입자의 총 붕괴 너비와 이중광자 분해비율에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 390 GeV의 점입자 질량과 710 GeV의 단일점입자 상태, 이중광자 분해비율이 몇 퍼센트 수준일 경우 약 100 fm/GeV의 단면적이 생성되며, 이는 관측된 750 GeV 증폭과 일치한다.
• $β$-결합 체계는 이 해석에 필수적이다. 디랙 결합을 사용할 경우 임계점에서 허용 불가능할 정도로 큰 결합 상수가 발생하여 낮은 점입자 질량은 배제된다.
• 운동량 의존적 $\beta$-결합으로 인해 공명 피크가 단일점입자 질량에서 40–50 GeV만큼 이격되어 관측된 증폭 위치와 일치한다.
• 점입자-반점입자 상호작용은 임계점 근처에 넓은 돌출을 생성하며, 이는 과잉 생성을 방지하기 위해 억제되어야 하므로 점입자 질량을 370–400 GeV로 제약한다.
• 이 모델은 이중 돌출 구조를 예측한다: 단일점입자 붕괴에서 기인한 ~710 GeV에서의 좁은 피크와 $m\bar{m}$ 상호작용에서 기인한 넓은 배경이 모두 이중광자 채널에서 검출 가능하다.
• 이중광자 분해비율을 낮추거나 총 너비를 50 GeV 이상으로 증가시키면 $m\bar{m}$ 배경이 추가로 억제될 수 있으며, 이는 더 큰 결합 에너지와 점입자 질량을 유지하면서도 데이터와의 일치를 유지하는 데 기여할 수 있다.