[論文レビュー] Faking The Diphoton Excess by Displaced Dark Photon Decays

Yuhsin Tsai, Lian-Tao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光で長寿命なダークフォトンが、凝縮したe⁺e⁻対に崩壊することで、LHCのATLASおよびCMS検出器において光子と同一に振る舞う可能性があると提唱している。偽の率が1次オーダーであり、角度依存性を示すこのような偽物は、750 GeVの過剰現象のような共鳴状態のスピン測定を歪め、ベクトル共鳴状態が光子とダークフォトンに崩壊する場合でも、それが二重光子信号として観測されるように見える可能性がある。

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.

研究の動機と目的

• 長距離にわたるダークフォトンの崩壊が、LHC検出器内で光子と同一に振る舞うメカニズムを調査すること、特に750 GeVの二重光子過剰現象の文脈において。
• 現実的な検出器の幾何構造と再構成条件のもとで、ATLASおよびCMS検出器におけるダークフォトン崩壊の偽光子率を定量化すること。
• 特に共鳴状態が光子とダークフォトンに崩壊する場合に、検出器由来の偽物がスピン決定に与える影響を評価すること。
• ATLASとCMSの間で共鳴状態の断面積測定に不一致が生じる理由が、検出器依存の偽物率に起因する可能性を検討すること。
• 今後の実験において、真の光子とダークフォトン崩壊の偽物を区別するための戦略を同定すること。

提案手法

• ブーストと崩壊長に依存する、凝縮したe⁺e⁻対に崩壊する軽量で長寿命なダークフォトンの崩壊をモデル化する。
• ATLASおよびCMSの検出器幾何構造を用いて、このような凝縮した対の再構成効率を評価するシミュレーションを実施する。
• ダークフォトン崩壊が光子として誤識別される確率を計算し、検出器の受容域とクラスタリングの影響による角度依存性を含める。
• 崩壊角度と検出器再構成戦略に応じた偽物率を評価し、それがO(1)に達することを示す。
• ベクトル共鳴状態が光子とダークフォトンに崩壊する場合に、後者の崩壊が第二の光子として偽装することで、共鳴状態のスピン解析に与える影響を評価する。
• ずれのある頂点再構成と凝縮パターン認識に基づく、真の光子とダークフォトン偽物を区別するための検出戦略を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命なダークフォトンが凝縮したe⁺e⁻対に崩壊する場合、ATLASおよびCMS検出器で光子として誤識別される可能性はあるか？
• RQ2 このようなダークフォトン崩壊における偽光子率の大きさと角度依存性は何か？
• RQ3 共鳴状態が光子とダークフォトンに崩壊する場合、検出器由来の偽物がスピン測定にどのように歪みをもたらすか？
• RQ4 ダークフォトンの偽物が存在する場合、なぜATLASとCMSが同じ共鳴状態について不一致な断面積測定を報告する可能性があるのか？
• RQ5 今後の探索において、真の光子とダークフォトン崩壊の偽物を区別するための実験的手法は何か？

主な発見

• 凝縮したe⁺e⁻対に崩壊するダークフォトンの偽光子率は、ATLASおよびCMS両検出器でO(1)に達する可能性がある。
• 誤識別確率は角度依存的であり、検出器の幾何構造と再構成効率の影響で、特定の崩壊角度でより高い率を示す。
• このような偽物は、光子とダークフォトンに崩壊するベクトル共鳴状態が、二重光子探索においてスピン0状態として誤って識別される原因となる。
• 750 GeVの過剰現象に関して、ATLASとCMSの断面積測定に不一致が生じる原因が、ダークフォトン偽物に対する検出器応答の違いに起因する可能性がある。
• 今後の実験では、ずれのある頂点再構成と凝縮パターン認識を用いることで、真の光子とダークフォトン偽物を区別できる。