[论文解读] Faking The Diphoton Excess by Displaced Dark Photon Decays

Yuhsin Tsai, Lian-Tao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 7

一句话总结

本文提出，一种轻质、长寿命的暗光子衰变为喷射状e⁺e⁻对，可在LHC的ATLAS和CMS探测器中表现出类似光子的行为，从而产生虚假的二光子信号。当虚假率接近1且具有角度依赖性时，此类虚假信号可能偏差共振态自旋测量结果，使得矢量共振态即使衰变为光子与暗光子，也可能被误认为是二光子信号。

ABSTRACT

A light meta-stable dark photon decaying into collimated electron/positron pair can fake a photon, either converted or unconverted, at the LHC. The detailed object identification relies on the specifics of the detector and strategies for the reconstruction. We study the fake rate based on the ATLAS (CMS) detector geometry and show that it can be O(1) with a generic choice of parameters. Especially, the probability of being registered as a photon is angular dependent. If the dark photon is the product of a heavy resonance decay, e.g. the recent hint of 750 GeV at the LHC, such detector effects can induce bias when determine the spin of the resonance. If the decay products from the heavy resonance are one photon and one dark photon, which has a large probability to fake a diphoton event, the resonance is allowed to be a vector. Due to the difference in detector, the cross sections measured in ATLAS and CMS do not necessarily match. In addition to the 750 GeV excess, the issue studied here is relevant also for any future new physics searches with photon(s) in the final state. We discuss possible ways of distinguishing dark photon decay and real photon in the future.

研究动机与目标

• 研究长寿命暗光子衰变如何在LHC探测器中伪造光子信号，特别是在750 GeV二光子过剩的背景下。
• 在真实的探测器几何结构与重建条件下，量化暗光子衰变为光子的虚假率。
• 评估探测器引起的虚假信号对新共振态自旋测量的影响，特别是当共振态衰变为光子与暗光子时。
• 探讨探测器依赖的虚假率对ATLAS与CMS横截面测量结果差异的影响。
• 识别未来实验中区分真实光子与暗光子衰变虚假信号的策略。

提出的方法

• 建立轻质、长寿命暗光子衰变为喷射状e⁺e⁻对的模型，其运动学特性取决于洛伦兹提升因子与衰变长度。
• 利用ATLAS与CMS探测器几何结构模拟探测器响应，评估此类喷射状对的重建效率。
• 计算暗光子衰变被误识别为光子的概率，包括由探测器接受度与聚类算法引起的角度依赖性。
• 评估虚假率随衰变角度与探测器重建策略的变化，表明其可达到O(1)量级。
• 评估当矢量共振态衰变为光子与暗光子时，虚假信号对共振态自旋分析的影响，其中后者被误认为是第二个光子。
• 提出基于位移顶点重建与喷射结构识别的探测策略，以区分真实光子与暗光子衰变虚假信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 长寿命暗光子衰变为喷射状e⁺e⁻对是否可能在ATLAS与CMS探测器中被误识别为光子？
• RQ2 此类暗光子衰变的虚假光子率大小及其角度依赖性如何？
• RQ3 探测器引起的虚假信号如何偏差衰变为光子与暗光子的共振态自旋测量结果？
• RQ4 若存在暗光子虚假信号，为何ATLAS与CMS对同一共振态的横截面测量结果可能不一致？
• RQ5 未来搜索中可采用何种实验技术区分真实光子与暗光子衰变虚假信号？

主要发现

• 暗光子衰变为喷射状e⁺e⁻对被误识别为光子的虚假率在ATLAS与CMS探测器中均可达到O(1)量级。
• 误识别概率具有角度依赖性，特定衰变角度下因探测器几何结构与重建效率而出现更高虚假率。
• 此类虚假信号可能导致衰变为光子与暗光子的矢量共振态在二光子搜索中被误判为自旋-0共振态。
• ATLAS与CMS对750 GeV过剩现象横截面测量结果的差异，可能源于探测器对暗光子虚假信号响应的差异。
• 未来实验可通过位移顶点重建与喷射结构模式识别技术，有效区分真实光子与暗光子衰变虚假信号。