[论文解读] Characterising the 750 GeV diphoton excess

Bernon, Jérémy, Goudelis, Andreas+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 8

一句话总结

本文研究了运动学分布，以区分解释LHC运行2期数据中750 GeV双光子过剩现象的各种理论模型。分析了自旋-0和自旋-2共振态、通过三体衰变或级联过程衰变的较重母粒子，以及不同的产生机制，发现光子和双光子系统分布、QCD辐射模式以及缺失能量是区分拓扑结构、质量谱和产生动力学的关键因素。

ABSTRACT

We study kinematic distributions that may help characterise the recently observed excess in diphoton events at 750 GeV at the LHC Run 2. Several scenarios are considered, including spin-0 and spin-2 750 GeV resonances that decay directly into photon pairs as well as heavier parent resonances that undergo three-body or cascade decays. We find that combinations of the distributions of the diphoton system and the leading photon can distinguish the topology and mass spectra of the different scenarios, while patterns of QCD radiation can help differentiate the production mechanisms. Moreover, missing energy is a powerful discriminator for the heavy parent scenarios if they involve (effectively) invisible particles. While our study concentrates on the current excess at 750 GeV, the analysis is general and can also be useful for characterising other potential diphoton signals in the future.

研究动机与目标

• 识别可用于区分解释LHC运行2期中观测到的750 GeV双光子过剩现象的多种竞争性理论模型的运动学可观测量。
• 确定双光子系统和领先光子的微分分布如何揭示共振态的自旋、质量谱和衰变拓扑结构。
• 评估QCD辐射模式在区分胶子融合、夸克-反夸克湮灭和光子触发过程等不同产生机制中的作用。
• 评估缺失能量在涉及较重母共振态的（有效）隐形衰变产物的场景中的区分能力。
• 为未来超出750 GeV信号的双光子过剩现象提供一个通用框架。

提出的方法

• 分析包括自旋-0、自旋-2以及较重母粒子在内的各种共振态模型中双光子不变质量、快度和横动量的微分分布。
• 使用蒙特卡洛模拟，比较不同产生模式（胶子融合、夸克-反夸克湮灭和光子触发过程）下的信号运动学特性。
• 研究QCD辐射模式对末态分布的影响，以区分不同产生机制。
• 评估缺失横动量（MET）作为探测涉及级联衰变中隐形或软末态粒子的场景的探针能力。
• 使用具有特定质量层次的基准点（例如，m3=1200 GeV，m2=750 GeV，m1=40 GeV）进行模拟并比较运动学分布。
• 研究具有固定质量比但宽度可变的“鹿角”拓扑结构和级联共振态情景，以评估对参数调谐的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 双光子系统和领先光子的运动学分布能否有效区分自旋-0与自旋-2共振态假设？
• RQ2 QCD辐射模式在区分胶子融合、夸克-反夸克和光子触发产生机制方面有何作用？
• RQ3 缺失能量在多大程度上能够区分存在隐形或软末态粒子的场景？
• RQ4 在鹿角拓扑结构中，双光子不变质量谱对共振态质量与宽度的微小变化有多敏感？
• RQ5 观测到的750 GeV过剩是否能被通过三体衰变或级联过程衰变的更重母共振态一致地再现？

主要发现

• 双光子和领先光子分布的组合能有效区分共振态模型中的不同拓扑结构和质量谱。
• QCD辐射模式在区分产生机制方面提供了清晰的判据，尤其在区分胶子融合与夸克-反夸克或光子触发过程方面表现突出。
• 缺失横动量是识别涉及（有效）隐形衰变产物场景的强大探针，尤其在较重母共振态模型中表现显著。
• 鹿角拓扑结构需要精细调节质量与宽度才能再现观测到的双光子谱，当宽度超过1 GeV时，$m_{\text{inv}}$谱变得过平。
• $m_{\text{inv}}$谱对$m_2/m_3$质量比高度敏感，即使微小偏差（例如从849 GeV变为845 GeV）也会显著改变谱形。
• 在$m_3=1700$ GeV且$m_2=m_1=750$ GeV的级联共振态情形下，其运动学分布与$m_3=1200$ GeV，$m_2=750$ GeV，$m_1=40$ GeV的基准点非常相似，仅在$\theta(\text{photon})$分布中缺少$\theta=0$处的凹陷。