[论文解读] Triboson interpretations of the ATLAS diboson excess

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 24

一句话总结

本文提出，ATLAS在约2 TeV处的二胶子共振过剩可能由一个重共振态衰变为两个规范玻色子加一个希格斯玻色子（即‘三玻色子’衰变）所解释，从而缓解ATLAS全 hadronic 通道中过剩与CMS/ATLAS在半轻子通道中无信号结果之间的矛盾。该模型通过抑制自旋依赖的效率与分支比，解释了半轻子模式中无信号的原因，其 $σ_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$ 估计值存在2.4σ的不足波动，与观测数据一致。

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.

研究动机与目标

• 解决ATLAS在全 hadronic $JJ$ 通道中观测到的二胶子共振过剩与半轻子 $\ell\nu J$ 和 $\ell\ell J$ 通道中无信号结果之间的矛盾。
• 解释为何CMS在 $JJ$ 通道中未观测到过剩，尽管其质量灵敏度与ATLAS相似，而ATLAS却观测到3.4σ的过剩。
• 研究是否存在一个衰变为 $WZ$、$ZZ$ 或 $WW$ 加上一个希格斯玻色子的重共振态，能够解释观测数据，特别是不同末态之间信号效率的不匹配。
• 评估W/Z玻色子自旋态对半轻子末态探测效率的影响，特别是 $\ell\nu J$ 和 $\ell\ell J$ 通道。

提出的方法

• 使用事件计数与截面估计，比较假设2 TeV共振态下 $JJ$ 与 $\ell\nu J$ 通道中的预期信号产额。
• 基于 $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 范围内观测到的8个过剩事件，估算信号截面乘以分支比与效率 ($\sigma_{WZ}^{[peak]} \times \text{Br} \times \text{eff}$)。
• 应用基于自旋依赖衰变分布的效率修正，利用快速探测器模拟对 $R \to W^+W^-$ 进行计算，其中 $M_R = 2$ TeV 且 $\Gamma_R = 50$ GeV。
• 比较 $\ell\nu J$ 与 $JJ$ 通道中的预期信号产额，若 $JJ$ 过剩源于 $WZ$ 共振态，则前者存在2.4σ的不足波动。
• 评估 $W^+W^-$、$ZZ$ 与 $WZ$ 衰变在自旋依赖下的鉴别效率，重点关注 $\ell\nu J$ 与 $\ell\ell J$ 末态。
• 利用角动量守恒与自旋选择规则，模拟自旋-0、自旋-1 与自旋-2 共振态对衰变运动学与探测效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS在约2 TeV处的二胶子共振过剩是否可由一个衰变为两个规范玻色子加一个希格斯玻色子的共振态解释，从而缓解与半轻子通道无信号结果之间的矛盾？
• RQ2 为何ATLAS的 $JJ$ 通道显示出3.4σ的过剩，而 $\ell\nu J$ 通道中未观测到显著信号，尽管其预期灵敏度更高？
• RQ3 W与Z玻色子的自旋态如何影响半轻子末态中的探测效率，特别是 $\ell\nu J$ 与 $\ell\ell J$ 通道？
• RQ4 在CMS与ATLAS限制下，是否可通过自旋-1的 $WZ$、$ZZ$ 与 $WW$ 共振态混合来解释 $JJ$ 通道的过剩？
• RQ5 自旋抑制在降低半轻子模式中信号效率方面起什么作用，是否足以解释观测到的不足波动？

主要发现

• 在 $m_{JJ} \in [1.85,2.15]$ TeV 范围内，$JJ$ 通道中观测到的8个过剩事件对应于信号截面乘以效率与分支比为 $0.39$ fb，暗示 $\sigma_{WZ}^{[peak]} \approx 6$ fb，效率为14%。
• 将相同截面应用于 $\ell\nu J$ 通道，预测将多出7个事件，但实际仅观测到6个，背景为6.5，导致2.4σ的不足波动。
• $W^+W^-$ 衰变中的自旋依赖效率变化较小，最大偏差为0.88（对应 $(-1,1)$ 自旋组合），不足以解释该矛盾。
• $\ell\ell J$ 通道的效率变化更小，$(-1,-1)$ 自旋组合的最大差异仅为3%，表明仅靠自旋效应无法解释该差异。
• 一个重共振态衰变为 $V_1V_2H$（三玻色子衰变）的模型，能一致地解释 $JJ$ 通道的过剩以及半轻子模式中无信号的现象，原因在于分支比被抑制与自旋抑制的共同作用。
• 该假设进一步得到支持，因为CMS的 $WH$ 共振态搜索仅在全 hadronic 通道中显示偏离，而未在半轻子通道中出现，与相同的抑制机制一致。