[논문 리뷰] Pseudoscalar Gluinonia to 750 GeV LHC Diphotons

C. T. Potter|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS와 CMS에서 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상이 강한 상호작용을 통해 형성된 두 글루ино의 결합 상태인 편소자 글루인니아(질량 ≈380 GeV)로 설명될 수 있다고 제안한다. 이 모형은 명시적 예측 대비 신호 강도를 40배 향상시켜야 하며, 이는 원점에서의 파동함수를 과소평가한 가정에 기반한다. 또한 다양한 결합 에너지를 가진 고리 상태의 스펙트럼을 통해 관측된 약 40 GeV의 너비를 재현한다.

ABSTRACT

Interpreting the diphoton mass excesses near 750~GeV reported by ATLAS and CMS as pseudoscalar gluinonia, bound states of two gluinos, we perform a scan in Next-to-Minimal Supersymmetry parameter space, fixing $m_{ ilde{g}}\approx 380$~GeV and identifying an experimentally viable point. We generate events with this point, perform fast simulation, and carry out an analysis modeled on the ATLAS search which reproduces features of the diphoton excess. This interpretation requires an enhancement of the signal strength above the nominal rate found in the literature and neglecting the gaugino mass unification constraint $M_{3}\approx 3M_{2}$.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS에서 보고한 750 GeV 이중광자 초과 현상을 두 글루ино의 결합 상태인 편소자 글루인니아를 사용해 설명하는 것.
• 기본적인 초과 현상의 특징을 재현하기 위해 빠른 시뮬레이션과 ATLAS 유사 분석을 사용하는 것.
• 명시적 예측 대비 큰 신호 강도 향상이 필요한 이유를 조사하고, 그 원인을 탐색하는 것.

제안 방법

• NMSSMTools4를 사용해 NMSSM 매개변수 공간을 스캔하며, $m_{\tilde{g}} \approx 380$ GeV로 고정하고, 가우지노 질량 통일 조건 $M_3 \approx 3M_2$를 풀어 라이트 글루ино 질량(~380 GeV)을 허용한다.
• Pythia8를 사용해 벤치마크 $\tilde{g}_{380}$에 대해 이벤트를 생성하여 글루ино 쌍 생성 및 이후 글루인니아 상태 형성을 시뮬레이션한다.
• ATLAS 카드를 사용한 Delphes3.2.0을 활용해 빠른 검출기 시뮬레이션을 수행하여 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 검출기 응답을 모델링한다.
• ATLAS 이중광자 탐색 선택 기준을 재현: $|\eta_\gamma| < 2.37$, 광자 격리 조건 ($E_{\text{cal}}^{0.4}/E_\gamma < 0.022$), 횡방향 에너지 임계치 ($E_T^\gamma > 30$ GeV, 하나는 $>40$ GeV).
• 이중 측면 크리스탈 볼 함수를 사용해 이중광자 질량 스펙트럼을 피팅하고 배경 과정($qq\rightarrow\gamma\gamma$, $qg\rightarrow q\gamma\gamma$, $gg\rightarrow\gamma\gamma$)과 비교한다.
• 신호 효율(~40%)을 평가하고, CheckMATE를 사용해 ATLAS/CMS 배제 한계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 $m_{\tilde{g}} \approx 380$ GeV인 편소자 글루인니아가 ATLAS와 CMS에서 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 초과 현상을 재현하기 위해 $pp \rightarrow G_1 \rightarrow \gamma\gamma$의 신호 강도는 어느 정도의 증폭이 필요한가?
• RQ3 글루인니아의 고리 상태는 관측된 약 40 GeV의 넓은 너비에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 왜 명시적 예측의 신호 강도가 부족한가? 그리고 부족한 증폭을 보완할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 모형은 40%의 신호 효율을 가정할 때, 750 GeV 이중광자 초과 현상을 재현하기 위해 $\sigma_{pp\rightarrow G_1} \times BR(G_1\rightarrow\gamma\gamma)$의 신호 강도를 40배 향상시켜야 한다.
• 약 40 GeV의 넓은 이중광자 너비는 다양한 결합 에너지를 가진 글루인니아 상태의 스펙트럼을 통해 재현되며, $E_b^n = E_b^1 / n^2$로 표현되며, 여기서 $E_b^1 \approx 20$ GeV는 기본 상태에 해당한다.
• 모든 고리 상태의 총 단면적은 $\sigma \approx 1.2\sigma_1$이며, $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 $\sigma_1 \approx 4$ pb로, 좁은 너비 근사법을 사용한다.
• 명시적 예측의 신호 강도는 약 0.2 fb이며, 관측된 약 8 fb에 도달하기 위해 약 40배의 증폭이 필요하다. 이 중 $\times 10$는 알려지지 않은 메커니즘에 기인하고, $\times 4$는 파동함수의 불확실성에 기인한다.
• 가우지노 질량 통일 조건 $M_3 \approx 3M_2$를 풀었을 때, 벤치마크 $\tilde{g}_{380}$는 LHC 런 2 제약 조건을 충족한다.
• 전체 선택 조건 이후 시뮬레이션된 이중광자 스펙트럼은 ATLAS 데이터와 일치하며, 피팅된 너비는 약 40 GeV이며, 신호+배경 피팅 결과는 관측된 초과 현상과 일치한다.