[논문 리뷰] Triboson interpretations of the ATLAS diboson excess

J. A. Aguilar–Saavedra|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 약 2 TeV에서 ATLAS의 이중보손 과잉 현상이 두 보손과 힉스 보손으로 붕괴하는 무거운 공명 상태(즉, '트리보손' 붕괴)에 의해 설명될 수 있다고 제안한다. 이는 ATLAS의 완전하게 하드론적 과잉과 CMS/ATLAS의 반-입자 채널에서의 null 결과 사이의 갈등을 해결한다. 모델은 헬리시티에 의존하는 효율성과 분해비율이 억제되어 반-입자 모드에서 신호가 나타나지 않는 이유를 설명하며, $\sigma_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$ 추정치에서 2.4σ의 부족한 과잉이 관측된 데이터와 일관된다.

ABSTRACT

The ATLAS excess in fat jet pair production is kinematically compatible with the decay of a heavy resonance into two gauge bosons plus an extra particle. This hypothesis would explain the absence of such a large excess in the analogous CMS analysis of fat dijet final states, as well as the negative results of diboson resonance searches in the semi-leptonic decay modes. If the extra particle is the Higgs boson, this hypothesis might also explain -statistical fluctuations aside- why the CMS search for WH resonances in the semi-leptonic channel finds some excess while in the fully hadronic one it does not have a significant deviation.

연구 동기 및 목표

• 완전하게 하드론적 $JJ$ 채널에서의 ATLAS 이중보손 과잉 현상과 반-입자 채널인 $\ell\nu J$ 및 $\ell\ell J$ 채널에서의 신호 부재 사이의 갈등을 해소하기 위해.
• CMS는 유사한 질량 감도를 가지고 있음에도 불구하고 $JJ$ 채널에서 과잉을 보이지 않지만, ATLAS는 3.4σ 과잉을 관측한 이유를 설명하기 위해.
• 무거운 공명 상태가 $WZ$, $ZZ$, 또는 $WW$와 함께 힉스 보손으로 붕괴하는 것이 관측된 데이터를 설명할 수 있는지 조사하기 위해, 특히 다양한 최종 상태에서 신호 효율의 불일치를 고려하여.
• 특히 $\ell\nu J$ 및 $\ell\ell J$ 채널에서의 반-입자 최종 상태에서 W/Z 보손의 헬리시티 상태가 탐지 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 2 TeV 공명 상태를 가정하여, $JJ$ 및 $\ell\nu J$ 채널에서의 기대 신호 수익을 비교하기 위해 이벤트 수 계수와 단면적 추정을 사용한다.
• 관측된 $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 범위에서의 8개 이벤트 과잉에서 $\sigma_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$를 추정한다.
• 빠른 검출기 시뮬레이션을 사용하여, 질량 $M_R = 2$ TeV 및 $\Gamma_R = 50$ GeV인 $R \to W^+W^-$의 경우 헬리시티에 의존하는 붕괴 분포를 기반으로 효율 보정을 적용한다.
• $\ell\nu J$ 및 $JJ$ 채널에서의 기대 신호 수익을 비교하여, $JJ$ 과잉이 $WZ$ 공명에 기인할 경우 $\ell\nu J$ 채널에서 2.4σ의 부족 과잉이 발생함을 발견한다.
• $W^+W^-$, $ZZ$, $WZ$ 붕괴의 헬리시티에 의존하는 태깅 효율을 평가하며, 특히 $\ell\nu J$ 및 $\ell\ell J$ 최종 상태에 집중한다.
• 운동량 보존과 헬리시티 선택 규칙을 사용하여 스핀-0, 스핀-1, 스핀-2 공명 상태가 붕괴 운동역학과 탐지 효율에 미치는 영향을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 2 TeV에서 ATLAS의 이중보손 과잉 현상은 두 보손과 힉스 보손으로 붕괴하는 공명 상태에 의해 설명될 수 있는가? 이는 반-입자 채널에서의 null 결과와의 갈등을 해결하는가?
• RQ2 ATLAS의 $JJ$ 채널은 3.4σ 과잉을 보이지만, 반-입자 채널인 $\ell\nu J$ 채널에서는 유의미한 신호가 나타나지 않는 이유는 무엇인가? 이는 더 높은 기대 감도에도 불구하고 그렇다.
• RQ3 W 및 Z 보손의 헬리시티 상태는 반-입자 최종 상태, 특히 $\ell\nu J$ 및 $\ell\ell J$ 채널에서의 탐지 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CMS 및 ATLAS의 제한 조건을 고려할 때, 스핀-1 $WZ$, $ZZ$, $WW$ 공명 상태의 혼합이 $JJ$ 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 헬리시티 억제는 반-입자 모드에서 신호 효율을 낮추는 데 어떤 역할을 하는가? 이는 관측된 부족 과잉을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 범위에서의 8개 이벤트 과잉은 기대 신호 단면적과 효율, 분해비율의 곱으로서 $0.39$ fb에 해당하며, 이는 약 14%의 효율을 가진 $\sigma_{WZ}^{[peak]} \approx 6$ fb를 암시한다.
• 동일한 단면적을 $\ell\nu J$ 채널에 적용하면 7개의 추가 이벤트가 기대되지만, 배경 6.5개에 비해 실제로는 6개의 이벤트만 관측되어 2.4σ의 부족 과잉이 발생한다.
• $W^+W^-$ 붕괴에서의 헬리시티에 의존하는 효율 변화는 작으며, 가장 큰 편차(0.88)는 $(-1,1)$ 헬리시티 조합에서 나타나지만, 갈등을 설명하기에는 부족하다.
• $\ell\ell J$ 채널은 더욱 작은 효율 변화를 보이며, $(-1,-1)$ 헬리시티 조합에서 최대 3%의 차이가 있다. 이는 헬리시티 효과만으로는 차이를 설명할 수 없음을 시사한다.
• 무거운 공명 상태가 $V_1V_2H$(트리보손 붕괴)로 붕괴하는 모델은 $JJ$ 과잉 현상과 반-입자 모드에서의 신호 부재를 일관되게 설명한다. 이는 분해비율이 억제되고 헬리시티 억제가 발생하기 때문이다.
• 이 가정은 CMS에서의 $WH$ 공명 탐색 결과와도 일치한다. CMS는 완전하게 하드론적 채널에서만 편차를 보이며, 반-입자 채널에서는 그렇지 않다. 이는 동일한 억제 메커니즘이 작용하고 있음을 뒷받침한다.