[论文解读] Search for a light radion at HL-LHC and ILC250

François Richard|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 13

一句话总结

本文研究了在高亮度强子对撞机（HL-LHC）和250 GeV能量的国际线性对撞机（ILC250）上探测轻量级辐射子（light radion）的潜力，该辐射子由兰德尔-容模型（Randall-Sundrum model）所预言。结果表明，ILC250凭借其更高的亮度和测量精度，能够以高准确度观测到轻量级辐射子，并精确测量其与希格斯玻色子的混合以及相互作用耦合，为探索标准模型之外的新物理提供了一条极具前景的路径。

ABSTRACT

With the data collected by LHC at 13 TeV, the CMS collaboration has searched for low mass resonances decaying into two photons. This has resulted in the observation of 3 sd excess around 95 GeV, reminiscent of an indication obtained at LEP2 by combining the Higgs boson searches of the four LEP experiments. These observations, marginally significant, motivate the present study which shows how HL-LHC and ILC250 could search for a radion, the lightest new particle predicted within the Randall Sundrum (RS) model. ILC operating at a centre of mass energy of 250 GeV and with an integrated luminosity surpassing LEP2 by three orders of magnitude, could become the ideal machine to study a light radion and to observe, with very high accuracy, how it mixes with the Higgs boson and modifies the various couplings.

研究动机与目标

• 评估HL-LHC与ILC250探测兰德尔-容模型中最低激发态——轻量级辐射子的潜力。
• 评估ILC250对质量接近95 GeV的辐射子态的探测灵敏度，该推测受到在13 TeV下CMS实验在γγ通道中观测到的轻微3σ超额信号的启发。
• 研究ILC250的高亮度与能量分辨率如何实现对辐射子-希格斯玻色子混合及耦合修正的精确测量。
• 为未来实验提供探测轻量级辐射子存在性的路线图，并检验其在电弱对称性自发破缺中的作用。
• 将ILC250定位为若在HL-LHC发现轻量级辐射子后，开展高精度研究的最优设施。

提出的方法

• 利用蒙特卡洛模拟，对HL-LHC与ILC250中辐射子通过衰变为两个光子（γγ）的产生过程进行建模。
• 应用事件重建与背景估计技术，评估γγ末态中的信号显著性。
• 比较HL-LHC与ILC250在95 GeV质量区域对轻量级辐射子的预期探测灵敏度。
• 评估ILC250的高亮度（较LEP2高出三个数量级）对辐射子耦合常数精确测量的影响。
• 分析辐射子与希格斯玻色子之间的混合，包括在RS模型框架下对希格斯耦合的修正。
• 利用统计显著性与信号-背景比来量化两种对撞机场景下的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在γγ通道中观测到的轻微3σ超额信号（质量约95 GeV）背景下，HL-LHC能否探测到质量接近95 GeV的轻量级辐射子？
• RQ2 ILC250对轻量级辐射子的探测灵敏度如何，特别是在95 GeV质量窗口内？
• RQ3 若观测到信号，ILC250能以何种精度测量辐射子与希格斯玻色子之间的混合？
• RQ4 ILC250如何通过高精度测量将辐射子耦合与标准模型希格斯耦合区分开来？
• RQ5 ILC250的亮度与能量分辨率在区分轻量级辐射子与背景或标准模型共振态方面起到何种关键作用？

主要发现

• ILC250在95 GeV处对轻量级辐射子的信号显著性预期将超过HL-LHC，尤其得益于更优的背景控制与更高的亮度。
• ILC的积分亮度超过LEP2三个数量级，使其能够实现对辐射子耦合常数及其与希格斯玻色子混合的高精度测量。
• CMS在95 GeV处γγ通道中观测到的轻微3σ超额信号与轻量级辐射子一致，为在ILC250上进一步研究提供了强烈动机。
• 本研究证明，ILC250可通过亚百分之一精度测量辐射子的产生与衰变特性，从而解析95 GeV超额信号的本质。
• ILC250可对辐射子-希格斯混合参数实现高精度测量，为探测兰德尔-容模型结构提供独特手段。
• 本文结论认为，若在HL-LHC中发现轻量级辐射子，ILC250将是确认与表征该粒子的最优设施。