[论文解读] A 750 GeV Diphoton Signal from a Very Light Pseudoscalar in the NMSSM

Ulrich Ellwanger, Cyril Hugonie|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用 14

一句话总结

该论文提出，ATLAS和CMS观测到的750 GeV二光子过剩现象可在NMSSM中通过一个重的CP-偶性希格斯共振态衰变为两个极轻的赝标量（A₁）来解释，每个A₁随后衰变为集中排列的光子或光子喷注。该模型依赖于近似R对称性极限，A₁质量约为210 MeV或500–550 MeV，经过探测器接受度修正后，成功重现了高达6.7 fb的观测信号截面。

ABSTRACT

The excess of events in the diphoton final state near 750 GeV observed by ATLAS and CMS can be explained within the NMSSM near the R-symmetry limit. Both scalars beyond the Standard Model Higgs boson have masses near 750 GeV, mix strongly, and share sizeable production cross sections in association with b-quarks as well as branching fractions into a pair of very light pseudoscalars. Pseudoscalars with a mass of ~ 210 MeV decay into collimated diphotons, whereas pseudoscalars with a mass of ~ 500-550 MeV can decay either into collimated diphotons or into three pi^0 resulting in collimated photon jets. Various such scenarios are discussed; the dominant constraints on the latter scenario originate from bounds on radiative Upsilon decays, but they allow for a signal cross section up to 6.7 fb times the acceptance for collimated multiphotons to pass as a single photon.

研究动机与目标

• 在NMSSM框架下解释ATLAS和CMS观测到的750 GeV二光子过剩现象。
• 探索重CP-偶性希格斯共振态衰变为两个极轻赝标量（A₁）的场景，其中A₁进一步衰变为集中排列的光子。
• 识别在NMSSM中能重现观测信号截面且满足低能约束的可行基准点。
• 通过独特的实验信号特征（如位移顶点与光子喷注结构）将所提场景与传统模型区分开来。

提出的方法

• 在近似R对称性极限下使用NMSSM，生成质量约为210 MeV或500–550 MeV的伪戈戈斯通玻色子A₁。
• 将重CP-偶性希格斯态（H₂或H₃）建模为SM样希格斯与单态样希格斯的混合态，其质量接近750 GeV，并通过tanβ增强机制实现与b夸克的大耦合。
• 在超势中引入一个单态自耦合项（κ），以介导衰变X → A₁A₁，其中X为750 GeV共振态。
• 通过建模A₁衰变为集中排列的二光子或三π⁰ → 光子喷注，考虑探测器效应，这些过程可在量能器中模拟为单个光子。
• 应用来自辐射Υ衰变（如Υ → γ + η）的约束，以限制A₁与下型夸克及轻子的耦合。
• 进行基准点分析（BP1–BP4），改变A₁的质量与衰变模式，评估信号截面与探测器接受度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM中，750 GeV二光子过剩是否可通过两体衰变至两个极轻赝标量来解释？
• RQ2 在满足低能约束的前提下，能重现观测信号截面的轻赝标量A₁的质量与耦合范围为何？
• RQ3 A₁的不同衰变模式（二光子 vs. 三π⁰ → 光子喷注）如何影响其在探测器中作为单个光子被探测的信号？
• RQ4 长寿命A₁态产生的位移顶点是否可作为与传统共振态区分开来的独特信号？
• RQ5 近似R对称性在稳定轻赝标量并实现模型可行性的过程中起到何种作用？

主要发现

• 该模型在经过接受度修正后，成功重现了高达6.7 fb的观测二光子信号截面，与ATLAS和CMS数据一致。
• 当A₁质量约为210 MeV时，集中排列二光子衰变占主导，衰变长度约为米量级，导致位移顶点。
• 当A₁质量约为500–550 MeV时，三π⁰衰变（产生光子喷注）成为可能，部分子层次的μ⁺μ⁻分支比为6–8%。
• BP1基准点包含一个单一的750 GeV共振态，其25%分支比衰变为Z + A₁，可模拟Z + γ信号。
• 来自辐射Υ衰变（如Υ → γ + η）的约束限制了A₁与下型夸克及轻子的耦合，但仍允许可行的信号截面。
• 该模型通过独特的信号特征（如位移顶点、光子喷注结构与多重末态）与传统模型区分开来。