[논문 리뷰] Faking The Diphoton Excess by Displaced Dark Photon Decays

Yuhsin Tsai, Lian-Tao Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 29인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 경량이면서 장수명인 어두운 보자기(dark photon)가 쇄도하는 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴할 경우, LHC의 ATLAS 및 CMS 검출기에서 광자를 모방할 수 있으며, 이로 인해 가짜 이중광자 신호가 발생할 수 있다고 제안한다. 가짜 비율이 약 1에 가까우며, 각도 의존성이 존재할 경우, 이러한 가짜 신호들은 750 GeV 초과와 같은 공명의 스핀 측정을 왜곡시켜, 광자와 어두운 보자기로 붕괴하는 벡터 공명이 실제로는 이중광자 신호로 보일 수 있도록 만들 수 있다.

ABSTRACT

A light meta-stable dark photon decaying into collimated electron/positron pair can fake a photon, either converted or unconverted, at the LHC. The detailed object identification relies on the specifics of the detector and strategies for the reconstruction. We study the fake rate based on the ATLAS (CMS) detector geometry and show that it can be O(1) with a generic choice of parameters. Especially, the probability of being registered as a photon is angular dependent. If the dark photon is the product of a heavy resonance decay, e.g. the recent hint of 750 GeV at the LHC, such detector effects can induce bias when determine the spin of the resonance. If the decay products from the heavy resonance are one photon and one dark photon, which has a large probability to fake a diphoton event, the resonance is allowed to be a vector. Due to the difference in detector, the cross sections measured in ATLAS and CMS do not necessarily match. In addition to the 750 GeV excess, the issue studied here is relevant also for any future new physics searches with photon(s) in the final state. We discuss possible ways of distinguishing dark photon decay and real photon in the future.

연구 동기 및 목표

• 장수명인 어두운 보자기의 이격된 붕괴가 LHC 검출기에서 광자로 오인될 수 있는지 조사하기.
• 실제 기하학적 조건과 재구성 조건 하에서 ATLAS 및 CMS 검출기에서 어두운 보자기 붕괴의 가짜 비율을 정량화하기.
• 특히 공명이 광자와 어두운 보자기로 붕괴할 경우, 검출기 유도 가짜 신호가 신규 공명의 스핀 결정에 어떤 영향을 미치는지 평가하기.
• ATLAS와 CMS 간의 가로채기 획득 측정치 간의 불일치에 대해 검출기 의존적 가짜 비율의 영향을 탐색하기.
• 향후 실험에서 진정한 광자와 어두운 보자기 붕괴 가짜를 구별하는 전략을 규명하기.

제안 방법

• 강한 운동량과 붕괴 길이에 따라 의존하는 쇄도하는 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴하는 경량 장수명 어두운 보자기의 붕괴를 모델링하기.
• ATLAS 및 CMS 검출기 기하학을 사용하여 이러한 쇄도 쌍의 재구성 효율을 평가하기 위해 검출기 반응을 시뮬레이션하기.
• 어두운 보자기 붕괴가 광자로 잘못 식별될 확률을 계산하기. 이때 검출기 수용도와 클러스터링에 기인한 각도 의존성 포함.
• 붕괴 각도와 검출기 재구성 전략에 따른 가짜 비율을 평가하여, 이 비율이 O(1)에 도달할 수 있음을 보여주기.
• 벡터 공명이 광자와 어두운 보자기로 붕괴할 경우, 어두운 보자기가 두 번째 광자로 가로채지 못하도록 하는 공명 스핀 분석에 미치는 영향 평가하기.
• 이격된 병합점 재구성과 쇄도 패tern 인식 기반의 탐지 전략을 제안하여 진정한 광자와 어두운 보자기 가짜를 구별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수명인 어두운 보자기가 쇄도하는 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴할 경우, ATLAS 및 CMS 검출기에서 광자로 오인될 수 있는가?
• RQ2 이러한 어두운 보자기 붕괴의 가짜 광자 비율의 크기와 각도 의존성은 무엇인가?
• RQ3 공명이 광자와 어두운 보자기로 붕괴할 경우, 검출기 유도 가짜 신호가 스핀 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어두운 보자기 가짜가 존재할 경우, ATLAS와 CMS가 동일한 공명에 대해 일치하지 않는 획득 측정치를 보일 수 있는 이유는 무엇인가?
• RQ5 향후 탐색에서 진정한 광자와 어두운 보자기 붕괴 가짜를 구별할 수 있는 실험 기법은 무엇인가?

주요 결과

• ATLAS 및 CMS 검출기에서 쇄도하는 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴하는 어두운 보자기의 가짜 비율은 약 1(O(1))에 도달할 수 있다.
• 오인 식별 확률은 각도 의존적이며, 검출기 기하학과 재구성 효율성에 기인한 특정 붕괴 각도에서 더 높은 비율을 보인다.
• 이러한 가짜 신호는 광자와 어두운 보자기로 붕괴하는 벡터 공명이 이중광자 탐색에서 스핀-0 공명으로 잘못 식별될 수 있도록 유도할 수 있다.
• ATLAS와 CMS 간의 750 GeV 초과에 대한 획득 측정치 불일치는 어두운 보자기 가짜에 대한 검출기 반응의 차이에서 기인할 수 있다.
• 향후 실험은 이격된 병합점 재구성과 쇄도 패턴 인식을 통해 진정한 광자와 어두운 보자기 가짜를 구별할 수 있다.