[論文レビュー] Characterising the 750 GeV diphoton excess

Bernon, Jérémy, Goudelis, Andreas+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、LHCラン2データで観測された750 GeVのダイフォトン過剰現象を説明するさまざまな理論的モデルを区別するために運動量分布を調査する。スピン0およびスピン2の共鳴状態、三体崩壊またはカスケード過程を介して崩壊する重い親粒子、および異なる生成メカニズムを分析し、光子およびダイフォトン系の分布、QCD放射のパターン、および欠落エネルギーが、トポロジー、質量スペクトル、生成ダイナミクスの区別に鍵となることが判明した。

ABSTRACT

We study kinematic distributions that may help characterise the recently observed excess in diphoton events at 750 GeV at the LHC Run 2. Several scenarios are considered, including spin-0 and spin-2 750 GeV resonances that decay directly into photon pairs as well as heavier parent resonances that undergo three-body or cascade decays. We find that combinations of the distributions of the diphoton system and the leading photon can distinguish the topology and mass spectra of the different scenarios, while patterns of QCD radiation can help differentiate the production mechanisms. Moreover, missing energy is a powerful discriminator for the heavy parent scenarios if they involve (effectively) invisible particles. While our study concentrates on the current excess at 750 GeV, the analysis is general and can also be useful for characterising other potential diphoton signals in the future.

研究の動機と目的

• LHCラン2で観測された750 GeVダイフォトン過剰現象を説明する競合する理論的モデルを区別できる運動量観測量を特定すること。
• ダイフォトン系および主要光子の微分的分布が、共鳴状態のスピン、質量スペクトル、崩壊トポロジーをどのように明らかにするかを特定すること。
• グルーオン融合、クォーク-反クォーク消失、およびフォトン駆動過程などの異なる生成メカニズムを区別するためのQCD放射のパターンの役割を評価すること。
• 重い親共鳴状態からの（実質的に）見えない崩壊生成物を含む状況において、欠落エネルギーがどのように区別に寄与するかを評価すること。
• 今後の750 GeVのダイフォトン過剰現象を超える状況に一般化可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• スピン0、スピン2、および重い親粒子を含むさまざまな共鳴状態モデルにおけるダイフォトンインバリアント質量、ラピディティ、横運動量の微分的分布を分析する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、グルーオン融合、クォーク-反クォーク消失、フォトン駆動過程などの異なる生成モードにおける信号運動量の比較を行う。
• QCD放射のパターンが最終状態の分布に与える影響を検討し、生成メカニズムの区別に寄与するかを分析する。
• カスケード崩壊に起因する見えないまたは弱い最終状態粒子を含む状況において、欠落横エネルギー（MET）をプローブとして評価する。
• 特定の質量階層（例：m3=1200 GeV、m2=750 GeV、m1=40 GeV）を持つベンチマークポイントを用いて、運動量分布をシミュレートし比較する。
• 固定された質量比と変化する幅を持つアンターヘッドトポロジーおよび逐次的共鳴状態のシナリオを調査し、パrameterチューニングへの感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイフォトン系および主要光子の運動量分布は、スピン0とスピン2の共鳴状態仮説を区別できるか？
• RQ2 QCD放射のパターンは、グルーオン融合、クォーク-反クォーク、フォトン駆動生成メカニズムを区別するのにどの程度有効か？
• RQ3 欠落エネルギーは、見えないまたは弱い最終状態粒子を含む状況をどの程度正確に区別できるか？
• RQ4 アンターヘッドトポロジーにおいて、共鳴状態の質量および崩壊幅のわずかな変化がダイフォトンインバリアント質量スペクトルに与える感受性はどの程度か？
• RQ5 観測された750 GeVの過剰現象は、三体崩壊またはカスケード過程を経て崩壊する重い親共鳴状態によって一貫して再現可能か？

主な発見

• ダイフォトンおよび主要光子の分布の組み合わせは、共鳴状態モデルにおけるさまざまなトポロジーおよび質量スペクトルを効果的に区別できる。
• QCD放射のパターンは、生成メカニズムの区別に明確なディスクリミネーターを提供し、特にグルーオン融合とクォーク-反クォークまたはフォトン駆動過程の区別に有効である。
• 欠落横エネルギーは、（実質的に）見えない崩壊生成物を含む状況を特定する強力なプローブであり、特に重い親共鳴状態モデルにおいて顕著である。
• アンターヘッドトポロジーでは、観測されたダイフォトンスペクトルを再現するためには質量および幅の微調整が必要であり、幅が1 GeVを超えると$ m_{\text{inv}} $スペクトルが平坦になりすぎる。
• $ m_{\text{inv}} $ スペクトルは $ m_2/m_3 $ の比に極めて感受性が高く、わずかなずれ（例：849から845 GeVに）でも形状に顕著な変化をもたらす。
• $ m_3=1700 $ GeV、$ m_2=m_1=750 $ GeV の逐次的共鳴ケースは、$ m_3=1200 $ GeV、$ m_2=750 $ GeV、$ m_1=40 $ GeV のベンチマークと運動量分布が非常に類似しているが、$ \theta(\text{photon}) $ 分布では $ \theta=0 $ でのピークが欠落している。