[论文解读] The ATLAS Leptonic-$Z$ Excess from Light Squark Productions in the NMSSM Extension with a Heavy Dirac Gluino

Ran Ding, Yizhou Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种带有大质量狄拉克胶fermi子和轻量第一代与第二代标量夸克的NMSSM超对称扩展，以解释ATLAS实验中观测到的3σ轻子Z衰变过剩。Z玻色子通过标量夸克对产生后的级联衰变 $χₗ₂^{0} \to \tilde{\chi}_1^0 Z$ 产生，该模型在结合ATLAS与CMS约束条件下最多可产生15个信号事例，与观测到的过剩在1σ范围内一致。

ABSTRACT

The ATLAS Collaboration announced a 3$σ$ excess in the leptonic-$Z+jets+\met$ channel. We show that such an excess can be interpreted in the extension of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) with a heavy Dirac gluino and light squarks. The abundant $Z$ bosons can be produced by light squark pair productions with the subsequent decays $ ilde{q} o q ildeχ_2^0 o q Z ildeχ_1^0$. We investigate the relevant parameter space by considering the constraints from both the ATLAS and CMS direct SUSY searches. Our model can provide sufficient $Z$-signal events in large parameter space if only the ATLAS searches are considered. After combining the ATLAS and CMS searches, the maximal number of signal events can still reach about 15, which is within the $1σ$ region of the observed excess. For comparison, we study the conventional low energy NMSSM with a Majorana gluino and its maximal number of signal events are about 11, although we cannot realize such model in the known supersymmetry breaking scenarios.

研究动机与目标

• 使用超越MSSM的超对称模型解释ATLAS观测到的3σ轻子Z过剩（二轻子质量为81–101 GeV，伴有喷胶和缺失能量）。
• 通过分析ATLAS与CMS直接SUSY搜索约束，缓解ATLAS观测到的过剩与CMS未观测到结果之间的张力。
• 探讨在NMSSM中，大质量狄拉克胶fermi子是否能通过标量夸克级联衰变自然地产生所需的Z玻色子，同时保持自然性。
• 比较狄拉克胶fermi子模型与传统NMSSM中马约拉纳胶fermi子模型在信号产生能力上的差异。
• 识别在满足ATLAS与CMS直接SUSY搜索极限的同时，能以合理数量的信号事例解释该过剩的可行参数区域。

提出的方法

• 建模带有大质量狄拉克胶fermi子（$m_{\tilde{g}} \approx 2.6$ TeV）和轻量第一代与第二代标量夸克（$m_{\tilde{q}} \in [600,900]$ GeV）的NMSSM扩展。
• 实现衰变链 $\tilde{q}\tilde{q} \to q\tilde{\chi}_2^0 \to q\tilde{\chi}_1^0 Z$，其中LSP为单态子类似粒子（$\tilde{\chi}_1^0$），NLSP为双次子类似粒子（$\tilde{\chi}_2^0$），以产生Z玻色子的轻子衰变。
• 使用蒙特卡洛模拟计算信号截面与事例率，应用ATLAS与CMS直接SUSY搜索的截断条件。
• 在ATLAS单独与ATLAS+CMS联合约束下，计算最大信号事例数（$N_{\text{Sig}}$），并使用 $R^{\max}_{\text{ATLAS}}$ 与 $R^{\max}_{\text{ATLAS+CMS}}$ 作为显著性指标。
• 将狄拉克胶fermi子模型与传统NMSSM中马约拉纳胶fermi子模型进行比较，重点关注标量夸克对产生截面与最终信号率的差异。
• 固定质量分裂 $m_{\tilde{\chi}_2^0} - m_{\tilde{\chi}_1^0} \approx 100$ GeV，以确保 $\tilde{q} \to q\tilde{\chi}_2^0$ 与 $\tilde{\chi}_2^0 \to \tilde{\chi}_1^0 Z$ 的分支比接近100%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在带有大质量狄拉克胶fermi子和轻量标量夸克的NMSSM扩展中，能否解释ATLAS观测到的3σ轻子Z过剩？
• RQ2 在ATLAS与CMS直接SUSY搜索约束联合作用下，该模型最多可产生多少信号事例？
• RQ3 与传统NMSSM中马约拉纳胶fermi子模型相比，狄拉克胶fermi子模型的信号产生率如何？
• RQ4 哪些标量夸克与中性子的质量区域在同时满足ATLAS与CMS约束的同时，能够解释该过剩？
• RQ5 尽管信号率相似，为何狄拉克胶fermi子模型比马约拉纳胶fermi子模型具有更大的可行参数空间？

主要发现

• 在仅ATLAS约束下，该模型最多可产生19个信号事例，基准点bench1（$m_{\tilde{q}} = 639$ GeV，$m_{\tilde{\chi}_2^0} = 398$ GeV）的信号事例数为 $N_{\text{Sig}} = 19$，显著性指标为 $R^{\max}_{\text{ATLAS}} = 0.56$。
• 在引入CMS约束后，最大信号事例数降至15个，其显著性与观测到的过剩在1σ范围内一致，对应基准点bench2（$m_{\tilde{q}} = 642$ GeV，$m_{\tilde{\chi}_2^0} = 428$ GeV）。
• 在ATLAS与CMS联合约束下，传统NMSSM中马约拉纳胶fermi子模型最多仅能产生11个信号事例（基准点bench4），不足以完全解释该过剩。
• 狄拉克胶fermi子模型由于具有相同手征耦合，显著增强了标量夸克对产生截面，从而相比马约拉纳情况提高了信号事例率。
• 在 $m_{\tilde{q}} \in [650,750]$ GeV 与 $m_{\tilde{\chi}_2^0} \in [200,400]$ GeV 的参数区域内，ATLAS约束下仍保持可行，显著性指标 $R^{\max}_{\text{ATLAS}} \approx 0.84$。
• CMS约束远比ATLAS严格，排除了绝大多数能解释该过剩的参数区域，仅在CMS排除曲线附近存在一个狭窄的可行区域。