[论文解读] Telling the spin of the di-photon resonance

M. Fabbrichesi, M. Pinamonti+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

该论文表明，若一个假想的750 GeV双光子共振态主要通过胶子融合产生，则仅需10 fb⁻¹的亮度即可在99.7%置信水平下确定其自旋。该方法基于角分布和基于似然的分析。对于自旋-2模型中夸克产生为次级通道的情况，通过优化截断选择，可在低亮度下实现相同的自旋判定；而若夸克产生占主导地位或背景分离效率低下，则需要更大的亮度才能实现自旋区分。

ABSTRACT

We argue that the spin of the 750 GeV resonance can be determined at the 99.7% confidence level in the di-photon channel with as few as 10 fb$^{-1}$ of luminosity. This result is true if the resonance is produced by gluon fusion (independently of the selection cuts) while an appropriate choice of selection cuts is needed if quark production is sub-dominantly present--which is the case of the Kaluza-Klein gravitational excitation under the hypothesis of a spin-2 resonance. A proportionally larger luminosity is required if the model for the spin-2 resonance includes a dominant production by quarks or in the absence of an efficient separation of the signal from the background.

研究动机与目标

• 确定在LHC双光子通道中发现的假想750 GeV双光子共振态的自旋。
• 评估在99.7%置信水平下实现自旋区分所需的亮度，且独立于共振态的产生机制。
• 评估当自旋-2模型中夸克产生为次级通道时，选择截断对自旋判定的影响。
• 分析信号与连续谱背景之间干涉在自旋区分中的作用，特别是针对750 GeV范围内的自旋-2共振态。
• 比较对数似然比与中心-边缘不对称性方法在自旋区分中的有效性。

提出的方法

• 使用最大似然拟合方法，对ATLAS数据中经过Higgs型选择截断后的双光子不变质量分布进行分析。
• 将信号建模为Breit-Wigner分布，背景则使用具有可调参数的灵活嵌套函数族（公式2）进行建模。
• 应用${}_{s}\mathcal{P}lot$方法以分离信号与背景，提升自旋区分的显著性。
• 采用对数似然比（LLR）与中心-边缘不对称性作为自旋区分可观测量，以比较其性能。
• 分析$gg \to \gamma\gamma$与$X \to \gamma\gamma$过程的螺旋幅，重点关注自旋-2情况下由于非同螺旋贡献而产生的虚部。
• 考虑共振幅与连续谱背景之间的干涉项，特别关注自旋-2幅中未抑制的虚部的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 若750 GeV双光子共振态主要通过胶子融合产生，是否仅需10 fb⁻¹亮度即可在99.7%置信水平下确定其自旋？
• RQ2 当自旋-2共振态模型中夸克产生为次级通道时，选择截断如何影响自旋判定？
• RQ3 共振态-连续谱干涉对自旋区分有何影响，特别是在一环图$gg \to \gamma\gamma$振幅被抑制的750 GeV范围内？
• RQ4 为何在与背景干涉的背景下，自旋-2共振态的振幅虚部比自旋-0情况更为显著？
• RQ5 在区分自旋-0与自旋-2假设时，中心-边缘不对称性或对数似然比方法哪一种更具优势？

主要发现

• 在10 fb⁻¹亮度下，若750 GeV共振态主要通过胶子融合产生，则可在99.7%置信水平下确定其自旋。
• 对于被建模为最轻Kaluza-Klein引力子的自旋-2共振态，通过合理选择截断，仅需10 fb⁻¹亮度即可实现自旋判定。
• 若自旋-2模型中夸克产生占主导地位，或背景分离效率低下，则需按比例增加亮度才能实现自旋区分。
• 由于非同螺旋贡献的存在，自旋-2模型中振幅干涉项的虚部被增强，而自旋-0情况下此类贡献不存在。
• 在700–840 GeV范围内，一环图$gg \to \gamma\gamma$振幅相比树图$q\bar{q} \to \gamma\gamma$振幅被抑制了十倍，使得共振态-连续谱干涉成为关键但具有挑战性的因素。
• 自旋-2情况下$gg \to \gamma\gamma$振幅的螺旋结构允许较大的虚部贡献，这是由于存在非零振幅如$\mathcal{A}_{+-\to+-}$，而自旋-0情形下此类振幅不存在。