[论文解读] The LHC Diphoton excess at 750 GeV in the framework of the Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model

Debajyoti Choudhury, Kirtiman Ghosh|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文提出，LHC 观测到的 750 GeV 二光子过剩现象可用约束最小超对称标准模型（cMSSM）中的相对论性停夸克偶素（顶夸克超对称粒子的束缚态）来解释。研究表明，一个轻量、长寿命的停夸克，其质量与最轻中性ino近乎 degenerate（简并），可形成停夸克偶素，其通过圈修正的胶子融合过程衰变为二光子，可重现观测到的信号强度与宽度，尤其适用于特定范围的结合参数。

ABSTRACT

We examine the observed diphoton excess at 750 GeV in the framework of constrained Minimal Supersymmetric Standard Model (cMSSM). The consistency of cMSSM with the discovery of a 125 GeV Higgs boson and PLANCK/WMAP data for dark matter relic density (RD) demands large mixing in the scalar top (stop) sector and consequently, the existence of a light stop quasi-degenerate with the lightest neutralino. Small decay width due to kinematic and loop suppression of such a stop allows for the existence of stop-antistop bound states (stoponia). Identifying the particular part of cMSSM parameter space consistent with Higgs boson mass as well as RD, we study stoponia as the source of the diphoton excess.

研究动机与目标

• 在物理动机充分的 cMSSM 框架内，解释 LHC Run 2 数据中观测到的 750 GeV 二光子共振态。
• 识别 cMSSM 参数区域，其中轻量停夸克与最轻中性ino近乎简并，从而实现停夸克偶素的形成。
• 证明停夸克偶素可通过圈修正的胶子融合过程重现观测到的二光子信号强度与衰变宽度，且与希格斯玻色子质量及暗物质遗迹密度约束一致。
• 提出在 LHC 与未来 $e^+e^-$ 对撞机上可探测的停夸克偶素及其组分的信号特征。

提出的方法

• 采用保留 R-奇偶性的约束最小超对称标准模型（cMSSM），以确保存在可行的暗物质候选者。
• 施加 125 GeV 希格斯玻色子质量与 PLANCK/WMAP 暗物质遗迹密度的约束，以限制可行的参数空间。
• 识别具有大停夸克混合及停夸克与最轻中性ino质量差较小的参数点，从而实现长寿命停夸克与停夸克偶素的形成。
• 利用相对论性束缚态波函数，计算停夸克偶素通过圈修正胶子融合过程的产生截面与二光子分支比。
• 评估 NLO 修正与激发态的影响，表明其仅轻微改变允许的参数窗口，但不改变定性结论。
• 提出对撞机信号特征：喷注能量提升的顶夸克喷注 + 大量缺失横向动量，以及同号顶夸克对，其信号率在 100 fb⁻¹ 亮度下已估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 cMSSM 框架下，750 GeV 二光子过剩是否可用停夸克偶素来解释？
• RQ2 哪些 cMSSM 参数区域允许轻量、长寿命停夸克与近乎简并的最轻中性ino共存，从而实现停夸克偶素的形成？
• RQ3 观测到的二光子信号强度与宽度是否与通过圈修正胶子融合过程产生的停夸克偶素一致？
• RQ4 在停夸克与中性ino近乎简并的 cMSSM 框架下，停夸克偶素及其组分在对撞机中的可观测信号特征是什么？
• RQ5 NLO 修正与激发态如何影响停夸克偶素作为二光子过剩解决方案的可行性？

主要发现

• 通过圈修正胶子融合过程产生的停夸克偶素可重现 13 TeV LHC 下观测到的约 10 fb 二光子信号强度，与 ATLAS 和 CMS 数据一致。
• 当结合参数范围为 $ 2.32~{\rm GeV} < \Delta < 8.24~{\rm GeV} $ 时，可重现二光子宽度，其中 $ \Delta $ 与波函数在原点的值及结合能相关。
• 其衰变为 $ \gamma\gamma $ 的分支比保持主导，且 $ \Gamma_{\gamma\gamma} \ll \Gamma_{gg} $，确保二光子通道为最主要衰变模式。
• 该模型预测可观测信号：2 个能量提升的顶夸克喷注 + 大量 $ p_T\! olimits/ $，在 100 fb⁻¹ 亮度下，BP1、BP2 与 BP3 的信号事件数分别为 45、13 与 7 个。
• 同号顶夸克对是特别有前景的信号，尤其当引入非简并的规范子质量以降低胶球质量并增强信号时。
• 未来的 $ e^+e^- $ 直线对撞机可通过阈值扫描分辨出停夸克偶素的多个 $ nP $-态，提供直接证实。