[論文レビュー] Observation of the $\gamma\gamma o au au$ process in Pb+Pb collisions and constraints on the $ au$-lepton anomalous magnetic moment with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 78被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、2018年にATLAS実験が収集した1.44 nb$^{-1}$ の Pb+Pb 衝突データを用いて、$√n{s_{NN}} = 5.02$ TeV の超外的衝突条件下で $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 電子対生成を初めて観測した。95%信頼水準で $\tau$ レプトンの異常磁気モーメントを $-0.057 < a_\tau < 0.024$ と測定し、LHCでこれまでに得られた最も精密な制約を提供するとともに、ハドロン衝突機を用いた標準模型と新しい物理の検証のための新たなチャネルを開いた。

ABSTRACT

This Letter reports the observation of $τ$-lepton-pair production in ultraperipheral lead-lead collisions Pb+Pb→Pb($γγ→ττ$)Pb and constraints on the $τ$-lepton anomalous magnetic moment $a_τ$. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 1.44 nb$^{-1}$ of LHC Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV recorded by the ATLAS experiment in 2018. Selected events contain one muon from a $τ$-lepton decay, an electron or charged-particle track(s) from the other $τ$-lepton decay, little additional central-detector activity, and no forward neutrons. The $γγ→ττ$ process is observed in Pb+Pb collisions with a significance exceeding 5 standard deviations and a signal strength of $μττ$=1.03-0.05+0.06 assuming the standard model value for $a_τ$. To measure aτ, a template fit to the muon transverse-momentum distribution from $τ$-lepton candidates is performed, using a dimuon $(γγ→μμ)$ control sample to constrain systematic uncertainties. The observed 95% confidence-level interval for $a_τ$ is -0.057&lt;$a_τ$&lt;0.024.

研究の動機と目的

• LHCにおける超外的衝突条件下のPb+Pb衝突で $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 過程を観測すること。
• ハドロン衝突機データを用いて $\tau$ レプトンの異常磁気モーメント $a_\tau$ を高精度で測定すること。
• 標準模型の $a_\tau$ 予測を検証し、レプトン質量の二乗に比例するスケーリングを示す新しい物理の寄与を探索すること。
• ハドロン崩壊やレプトン崩壊におけるニュートリノの見えない性質に起因する実験的課題を、重イオン衝突環境を用いて克服すること。

提案手法

• 2018年にATLAS実験が収集した、$√n{s_{NN}} = 5.02$ TeV の Pb+Pb 衝突データ 1.44 nb$^{-1}$ を使用する。
• 中央部の活動が最小限で、前方のニュートロンが検出されず、一方の $\tau$ が $\tau \to \mu\nu\nu$ に崩壊し、もう一方の $\tau$ が電子または1個または3個の荷電粒子を示すイベントを特定する。
• 二重ミューオン（$\gamma\gamma \to \mu\mu$）制御サンプルを用いて系統的不確実性を制約するため、ミューオンの横方向運動量分布にテンプレートフィットを適用する。
• きびしい選別基準を実装する：正確に1つのミューオン、電荷和がゼロ、トポクラスターや非同一平面性の除外、$\Delta R$ を用いた分離度基準を用いて、$\gamma\gamma \to \mu\mu$ および光子核反応背景を抑制する。
• Starlight 2.0 を用いたモンテカルロシミュレーションで $\gamma\gamma \to \tau\tau$ および $\gamma\gamma \to \mu\mu$ をモデル化し、$\tau$ 崩壊には Tauola を、最終状態放射には Pythia 8/Photos++ を使用する。
• Superchic 3.05 を用いて光子フラックス分布の再重み付けを行い、二レプトンインvariant質量および急速度におけるシミュレーションの正確性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるPb+Pb超外的衝突で $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 過程を観測できるか？
• RQ2 重イオンデータを用いたLHCで、$\tau$ レプトンの異常磁気モーメント $a_\tau$ をどの程度高精度に測定できるか？
• RQ3 高出力環境下における $\gamma\gamma \to \mu\mu$ や光子核反応などの実験的背景が、$\tau\tau$ シグナル再構築にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ニュートリノの見えない性質や複雑な最終状態に起因する $\tau$ レプトンのハドロン崩壊モードを、重イオン衝突において効果的に再構築できるか？

主な発見

• $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 過程は、Pb+Pb衝突で5標準偏差を超える有意性で観測された。
• 信号強度は $\mu_{\tau\tau} = 1.03^{+0.06}_{-0.05}$ と測定され、$a_\tau = 0.00117721$ を仮定した標準模型の予測と整合的である。
• 95%信頼水準における $\tau$ レプトンの異常磁気モーメントの区間は $-0.057 < a_\tau < 0.024$ に制限され、これまでに得られたLHCの単一実験で最も精密な測定である。
• Pb+Pb衝突における $Z^4$-増幅光子フラックスのおかげで、$pp$ 衝突と比較して $\gamma\gamma$-誘発反応のためのクリアな環境が得られた。
• 二重ミューオン制御サンプルの使用により、特に検出器応答および再構築効率に起因する系統的不確実性が効果的に制約された。
• 本研究は、超外的重イオン衝突を用いたレプトンの異常磁気モーメントのプローブが実現可能であることを示し、貯蔵リング実験とは補完的な手法を提供する。