[论文解读] 750 GeV diphoton resonance at the ILC

H. Fujii, Junping Tian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在国际线性对撞机（ILC）上通过 $e^+e^- \to X\gamma$ 和 $e^+e^- \to XZ$ 过程直接产生一个假设的 750 GeV 二光子共振态（X）的情况。利用解析振幅和完整的探测器模拟，本文表明，若分支比足够大，ILC 可通过反冲技术测量绝对截面，并能以高显著性发现隐形衰变和 $b\bar{b}$ 衰变模式。

ABSTRACT

In this paper we study the direct production of the diphoton resonance $X$ which has been suggested by 2015 data at the LHC, in $e^+e^- o X\gamma/XZ$ processes at the ILC. We derive an analytic expression for the scattering amplitudes of these processes, and present a comprehensive analysis for determining the properties of $X$ at the ILC. A realistic simulation study for $e^+e^- o X\gamma$ is performed based on the full detector simulation to demonstrate the capabilities of the ILC experiment. Complementary to the searches at the LHC, prospects of the measurement of the absolute values of production cross-section are obtained for the ILC using recoil technique without assuming decay modes of $X$. In addition, we have studied the searches for $X o m{invisible}$ and $X o b\bar{b}$ modes, which are challenging at the LHC, and found that these decay modes can be discovered with high significance if their branching ratios are large enough.

研究动机与目标

• 通过 $e^+e^- \to X\gamma$ 和 $e^+e^- \to XZ$ 过程，在 ILC 上探索 750 GeV 二光子共振态（X）的直接产生。
• 利用解析散射振幅和完整的探测器模拟，确定 X 的性质。
• 通过反冲技术，在不假设其衰变模式的前提下，测量 X 的绝对产生截面。
• 研究难以在 LHC 上探测的隐性衰变模式（如 $X \to \text{invisible}$）和 $X \to b\bar{b}$ 衰变模式的发现潜力。

提出的方法

• 推导 $e^+e^- \to X\gamma$ 和 $e^+e^- \to XZ$ 过程的解析振幅表达式，以模拟共振态的产生。
• 利用完整的探测器模拟对 $e^+e^- \to X\gamma$ 过程进行真实模拟，评估 ILC 的灵敏度和重建能力。
• 应用反冲技术，在不预先知晓其衰变模式的前提下，测量 X 产生过程的绝对截面。
• 通过评估 ILC 环境中的信号显著性，分析 $X \to \text{invisible}$ 和 $X \to b\bar{b}$ 衰变模式的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC 能否以高精度通过 $e^+e^- \to X\gamma$ 和 $e^+e^- \to XZ$ 过程直接探测 750 GeV 二光子共振态？
• RQ2 ILC 在不假设其衰变模式的前提下，能在多大程度上测量 X 的绝对产生截面？
• RQ3 若分支比足够大，ILC 能否以高显著性发现 $X \to \text{invisible}$ 和 $X \to b\bar{b}$ 衰变模式？
• RQ4 ILC 的能力如何与 LHC 互补，以探究 750 GeV 共振态的性质？

主要发现

• ILC 可通过反冲技术在不假设其衰变模式的前提下，测量 750 GeV 二光子共振态的绝对产生截面。
• 完整的探测器模拟证实，ILC 具备高效率和高分辨率地重建 $X\gamma$ 最终态的能力。
• 若分支比足够大，由于缺失能量信号，$X \to \text{invisible}$ 衰变模式可被以高显著性发现。
• $X \to b\bar{b}$ 衰变模式在 ILC 上同样可被高显著性发现，为 LHC 搜索提供了互补通道。
• ILC 提供了洁净的环境，有利于精确测量，从而对共振态性质提供与 LHC 结果互补的约束。