[논문 리뷰] The LHC Diphoton excess at 750 GeV in the framework of the Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model

Debajyoti Choudhury, Kirtiman Ghosh|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 750 GeV 이중광자 초과 현상이 제약된 최소 초대칭 표준모형(cMSSM) 내에서 상대론적 스토폰(톱 스쿼크의 결합 상태)에 의해 설명될 수 있다고 제안한다. 가벼운, 장수하는 스토폰이 가장 가벼운 중성미자와 준가장화되어 있을 경우, 이들의 이중광자 붕괴가 고리 유도된 글루온 융합을 통해 발생하며, 관측된 신호 강도와 너비를 재현할 수 있음을 보여준다. 특히 특정 바인딩 매개변수 범위에서 그러한 결과를 얻을 수 있다.

ABSTRACT

We examine the observed diphoton excess at 750 GeV in the framework of constrained Minimal Supersymmetric Standard Model (cMSSM). The consistency of cMSSM with the discovery of a 125 GeV Higgs boson and PLANCK/WMAP data for dark matter relic density (RD) demands large mixing in the scalar top (stop) sector and consequently, the existence of a light stop quasi-degenerate with the lightest neutralino. Small decay width due to kinematic and loop suppression of such a stop allows for the existence of stop-antistop bound states (stoponia). Identifying the particular part of cMSSM parameter space consistent with Higgs boson mass as well as RD, we study stoponia as the source of the diphoton excess.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2 데이터에서 관측된 750 GeV 이중광자 공명 현상을 잘 정당화된 cMSSM 프레임워크 내에서 설명하기 위해.
• 가벼운 스토폰과 가장 가벼운 중성미자가 준가장화되어 있는 cMSSM 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 스토폰이 관측된 이중광자 신호 강도와 붕괴 너비를 재현할 수 있으며, 힉스 보존 질량 및 어둠성 물질 잔여 밀도 제약 조건과도 일치함을 보여주기 위해.
• LHC 및 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 스토폰과 그 구성 입자들을 탐지할 수 있는 서명을 제안하기 위해.

제안 방법

• 어둠성 물질 후보가 유효해지도록 R-대칭 보존을 유지하는 제약된 최소 초대칭 표준모형(cMSSM)을 채택한다.
• 125 GeV 힉스 보존 질량 및 PLANCK/WMAP 어둠성 물질 잔여 밀도 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 큰 스토폰 혼합과 스토폰 및 가장 가벼운 중성미자 간의 작은 질량 차이를 가진 매개변수 포인트를 식별하여, 장수하는 스토폰과 스토폰 형성을 가능하게 한다.
• 상대론적 결합 상태 파동함수를 사용하여 고리 유도된 글루온 융합을 통한 스토폰 생성 戰률 및 이중광자 분해비를 계산한다.
• NLO 보정 및 유효 상태의 영향을 평가하여, 허용 가능한 매개변수 창이 약간 이동하지만 근본적인 결과에는 영향을 주지 않음을 보여준다.
• 충돌기 서명을 제안: 강력한 토프-제트 2개 + 큰 미소전단량량 및 동일 전하의 토프 쌍, 100 fb⁻¹ 루미너스리티에서의 신호 강도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 초과 현상은 cMSSM 프레임워크 내에서 스토폰에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 가벼운, 장수하는 스토폰과 준가장화된 가장 가벼운 중성미자가 존재하는 cMSSM 매개변수 영역는 어디인가?
• RQ3 관측된 이중광자 신호 강도 및 너비는 고리 유도된 글루온 융합에 의한 스토폰 생성과 일치하는가?
• RQ4 cMSSM에서 스토폰과 그 구성 입자들의 탐지 가능한 충돌기 서명은 무엇인가? (특히 스토폰과 중성미자가 준가장화된 경우)
• RQ5 NLO 보정 및 유효 상태는 스토폰이 이중광자 초과 현상 해결책으로서의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고리 유도된 글루온 융합을 통한 스토폰 생성은 13 TeV LHC에서 관측된 약 10 fb의 이중광자 신호 강도를 재현할 수 있으며, ATLAS 및 CMS 데이터와 일치한다.
• 바인딩 매개변수 범위 $ 2.32~{\rm GeV} < \Delta < 8.24~{\rm GeV} $ 에서 이중광자 너비가 재현되며, 여기서 $ \Delta $ 는 원점에서의 파동함수와 결합 에너지와 관련된다.
• 이중광자 $ \gamma\gamma $ 분해비는 지배적이며, $ \Gamma_{\gamma\gamma} \ll \Gamma_{gg} $ 이므로 이중광자 채널이 주요 붕괴 모드임을 보장한다.
• 모델은 관측 가능한 서명을 예측한다: 2개의 부스트된 토프-제트 + 큰 $ p_T\! olimits/ $ 로, 100 fb⁻¹ 루미너스리티에서 BP1, BP2, BP3에 대해 각각 45, 13, 7개의 사건으로 추정된다.
• 동일 전하의 토프 쌍은 특히 유망한 서명이며, 글루아진 질량을 낮추고 신호 강도를 증가시키기 위해 비일관된 가우지노 질량을 도입할 경우 더욱 그렇다.
• 향후 $ e^+e^- $ 선형 충돌기는 임계값 스캔을 통해 스토폰의 여러 $ nP $-상태를 해석할 수 있으며, 직접적인 확인을 가능하게 한다.