[论文解读] Explanation of the ATLAS Z-peaked excess in the NMSSM

Junjie Cao, Liangliang Shang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在NMSSM框架下通过胶球子对产生及衰变链 $\tilde{g} \to q\bar{q}\tilde{\chi}_2^0 \to q\bar{q}Z\tilde{\chi}_1^0$ 来解释ATLAS实验中Z玻色子峰化过量的超对称模型，其中最轻的中性ino（$\tilde{\chi}_1^0$）以单态ino为主，次轻的中性ino（$\tilde{\chi}_2^0$）以Bino为主。该模型在 $m_{\tilde{g}} \simeq 650$ GeV、$m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq 565$ GeV 和 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \simeq 465$ GeV 的压缩谱下，以 $1\sigma$ 水平解释了该过量，同时与CMS在95%置信水平下的无信号结果保持一致。

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.

研究动机与目标

• 使用次最小超对称标准模型（NMSSM）解释ATLAS在 $Z+jets+E_T^{miss}$ 通道中观测到的 $3\sigma$ Z峰化过量。
• 探索NMSSM中能复现观测信号率并满足ATLAS和CMS在 $jets+E_T^{miss}$ 搜索约束的可行参数空间。
• 验证该模型与ATLAS观测到的过量以及CMS在相同通道中无信号结果的一致性。
• 证明该模型能够复现ATLAS测量的 $E_T^{miss}$ 和 $H_T$ 分布。

提出的方法

• 在NMSSM框架下模拟胶球子对产生及其衰变链 $\tilde{g} \to q\bar{q}\tilde{\chi}_2^0 \to q\bar{q}Z\tilde{\chi}_1^0$。
• 使用CheckMATE模拟并验证ATLAS和CMS对 $jets+E_T^{miss}$ 信号的搜索，匹配实验的截断效率和事例计数。
• 进行详细的蒙特卡罗模拟，以 $10\%$ 以内的不确定度复现ATLAS信号区域的效率和CMS搜索结果。
• 在压缩谱参数空间中探索，以规避 $jets+E_T^{miss}$ 约束，同时增强Z玻色子的产生率。
• 将模拟的信号率与ATLAS观测数据及CMS上限进行比较，评估其一致性。
• 利用质量关系 $m_{\tilde{g}} \simeq m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq m_{\tilde{\chi}_1^0} + m_Z$ 优化信号可见性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NMSSM能否解释ATLAS在 $Z+jets+E_T^{miss}$ 通道中观测到的 $3\sigma$ Z峰化过量？
• RQ2 该信号是否与CMS在95%置信水平下对Z玻色子共振态的无信号结果一致？
• RQ3 该模型能否复现ATLAS观测到的 $E_T^{miss}$ 和 $H_T$ 分布？
• RQ4 何种压缩超对称谱能最好地解释该过量，同时规避 $jets+E_T^{miss}$ 约束？
• RQ5 模拟的信号效率与ATLAS和CMS实验结果的匹配程度如何？

主要发现

• NMSSM在 $1\sigma$ 水平上成功解释了ATLAS的Z峰化过量，在最优参数区域，信号事例数达到测量的中心值。
• 最佳解释来自压缩谱，其中 $m_{\tilde{g}} \simeq 650$ GeV、$m_{\tilde{\chi}_2^0} \simeq 565$ GeV 和 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \simeq 465$ GeV。
• 在CMS 95%置信水平限制下，ATLAS在Z共振态的信号事例数仍为11，比观测中心值29低 $1.2\sigma$。
• 该模型成功复现了ATLAS测量的 $E_T^{miss}$ 和 $H_T$ 分布，解决了以往基于GGM模型解释的关键局限性。
• CheckMATE中的模拟验证了ATLAS的 $2\sim6$ 个喷注 + $E_T^{miss}$ 以及CMS的轻子型Z玻色子 + 喷注 + $E_T^{miss}$ 搜索，其不确定度分别在 $20\%$ 和 $10\%$ 以内。
• 尽管面临强烈的 $jets+E_T^{miss}$ 约束，该模型仍具可行性，得益于压缩谱结构，使胶球子质量可低至650 GeV。