[논문 리뷰] Explanation of the ATLAS Z-peaked excess in the NMSSM

Junjie Cao, Liangliang Shang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 NMSSM에서 글루아인 쌍 생성을 통해 ATLAS의 Z-피크 과잉을 초순수 대칭적 설명으로 제시한다. 붕괴 체인 $\tilde{g} \to q\bar{q}\tilde{\chi}_2^0 \to q\bar{q}Z\tilde{\chi}_1^0$를 통해 이루어지며, 가장 가벼운 중성미온($\tilde{\chi}_1^0$)은 싱글리노 지배이고, 다음으로 가벼운 중성미온($\tilde{\chi}_2^0$)은 빈오 지배이다. 이 모형은 압축된 스펙트럼을 통해 $m_{\tilde{g}} \simeq 650$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq 565$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_1^0} \simeq 465$ GeV에서 $1\sigma$ 수준으로 과잉을 설명하며, 동시에 $95\%$ 신뢰수준에서 CMS의 null 결과와도 일치한다.

ABSTRACT

Recently the ATLAS collaboration reported a $3σ$ excess in the leptonic-$Z+jets+E_{T}^{miss}$ channel. This may be interpreted in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) by gluino pair production with the decay chain $ ilde{g} o q \bar{q} ildeχ_2^0 o q \bar{q} Z ildeχ_1^0$, where $ ildeχ_1^0$ and $ ildeχ_2^0$ denote the lightest and the next-to-lightest neutralinos with singlino and bino as their dominant components respectively. After exploring the relevant parameter space of the NMSSM by considering the constraints from the ATLAS searches for $jets + E_{T}^{miss}$ signals, we conclude that the NMSSM is able to explain the excess at $1 σ$ level with the number of the signal events reaching its measured central value in optimal cases, and the best explanation comes from a compressed spectrum such as $m_{ ilde{g}} \simeq 650 { m GeV}$, $m_{ ildeχ_2^0} \simeq 565 { m GeV}$ and $m_{ ildeχ_1^0} \simeq 465 { m GeV}$. We also check the consistency of the ATLAS results with the null result of the CMS on-$Z$ search. We find that under the CMS limits at $95\%$ C.L., the event number of the ATLAS on-$Z$ signal can still reach 11 in our scenario, which is about $1.2 σ$ away from the measured central value.

연구 동기 및 목표

• Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM)를 사용하여 $Z+jets+E_T^{miss}$ 채널에서의 ATLAS $3\sigma$ Z-피크 과잉을 설명하기.
• 관측된 신호율을 재현하면서 ATLAS 및 CMS의 $jets+E_T^{miss}$ 탐색 결과로부터의 제약 조건을 만족하는 NMSSM의 타당한 매개변수 공간 탐색하기.
• 동일한 채널에서 ATLAS의 관측 과잉과 CMS의 null 결과 간의 일관성을 검증하기.
• 모형이 ATLAS에서 측정한 $E_T^{miss}$ 및 $H_T$ 분포를 재현할 수 있음을 보여주기.

제안 방법

• NMSSM 프레임워크 내에서 붕괴 체인 $\tilde{g} \to q\bar{q}\tilde{\chi}_2^0 \to q\bar{q}Z\tilde{\chi}_1^0$를 갖는 글루아인 쌍 생성 시뮬레이션 수행.
• CheckMATE를 사용하여 ATLAS 및 CMS의 $jets+E_T^{miss}$ 신호 탐색을 시뮬레이션하고 실험적 컷 효율 및 이벤트 수와 일치시키기.
• 세부적인 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 ATLAS 신호 영역 효율 및 CMS 탐색 결과를 $10\%$ 이내의 불확도로 재현하기.
• 압축된 스펙트럼을 통해 $jets+E_T^{miss}$ 제약 조건을 피하면서도 Z 보손 수 yield 를 증가시키기 위한 매개변수 공간 탐색하기.
• 시뮬레이션된 신호율을 ATLAS의 관측 데이터 및 CMS의 상한선과 비교하여 일관성 평가하기.
• 질량 관계 $m_{\tilde{g}} \simeq m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq m_{\tilde{\chi}_1^0} + m_Z$ 를 활용하여 신호의 가시도 최적화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM는 $Z+jets+E_T^{miss}$ 채널에서 ATLAS의 $3\sigma$ Z-피크 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 95\% 신뢰수준에서 CMS의 $on$-$Z$ 탐색 결과와 신호는 일치하는가?
• RQ3 모형은 ATLAS에서 관측한 $E_T^{miss}$ 및 $H_T$ 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ4 압축된 스펙트럼 중에서 과잉을 설명하면서도 $jets+E_T^{miss}$ 제약 조건을 피할 수 있는 최적의 슈퍼대칭 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ5 시뮬레이션된 신호 효율은 ATLAS 및 CMS의 실험 결과와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• NMSSM는 최적의 매개변수 영역에서 중심값에 도달하는 이벤트 수를 보이며, ATLAS Z-피크 과잉을 $1\sigma$ 수준에서 설명한다.
• 최적의 설명은 $m_{\tilde{g}} \simeq 650$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq 565$ GeV, $m_{\tilde{\chi}_1^0} \simeq 465$ GeV인 압축된 스펙트럼에서 발생한다.
• CMS의 $95\%$ 신뢰수준 제약 조건 하에서, ATLAS의 $on$-$Z$ 신호 이벤트 수는 여전히 11로 유지되며, 관측 중심값 29보다 $1.2\sigma$ 낮다.
• 모형은 이전의 GGM 기반 설명의 핵심 한계를 해결하면서 ATLAS에서 측정한 $E_T^{miss}$ 및 $H_T$ 분포를 성공적으로 재현한다.
• CheckMATE에서의 시뮬레이션은 ATLAS의 $2\sim6$ 재진 + $E_T^{miss}$ 및 CMS의 렙톤-지향 Z + 재진 + $E_T^{miss}$ 탐색 결과를 각각 $20\%$ 및 $10\%$ 이내의 불확도로 검증한다.
• 압축된 스펙트럼 덕분에 강한 $jets+E_T^{miss}$ 제약 조건에도 불구하고 모형은 유효하며, 글루아인 질량이 $650$ GeV까지 낮아질 수 있다.