[論文レビュー] Search for an axion-like particle with forward proton scattering in association with photon pairs at ATLAS

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2963 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ATLAS検出器およびそのフォワードプロトンスキャナを用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において光-光散乱を介したアキソン様粒子（ALPs）の探索を実施した。有意な過剰は観測されず、150–1600 GeV の質量範囲において95%信頼水準でALPの結合定数の上限は0.04–0.09 TeV⁻¹に設定された。

ABSTRACT

A search for forward proton scattering in association with light-by-light scattering mediated by an axion-like particle is presented, using the ATLAS Forward Proton spectrometer to detect scattered protons and the central ATLAS detector to detect pairs of outgoing photons. Proton-proton collision data recorded in 2017 at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV were analysed, corresponding to an integrated luminosity of 14.6 fb$^{-1}$. A total of 441 candidate signal events were selected. A search was made for a narrow resonance in the diphoton mass distribution, corresponding to an axion-like particle (ALP) with mass in the range 150-1600 GeV. No excess is observed above a smooth background. Upper limits on the production cross section of a narrow resonance are set as a function of the mass, and are interpreted as upper limits on the ALP production coupling constant, assuming 100% decay branching ratio into a photon pair. The inferred upper limit on the coupling constant is in the range 0.04-0.09 TeV$^{-1}$ at 95%confidence level.

研究の動機と目的

• 光-光散乱を介して媒介されるアキソン様粒子（ALPs）による二光子最終状態における狭い共鳴状態の探索。
• フォワードプロトンタグギングを用いて、光子へのALP結合を調べ、信号感度を向上させる。
• 従来の包括的二光子解析と比較して、より高い質量（150–1600 GeV）におけるALP探索の到達範囲を拡大する。
• 少なくとも1つのタグ付きプロトンを要件とすることで、背景抑制を向上させ、排他的およびシングル・ドロップアウト過程の選別性を高める。

提案手法

• 2017年にATLASが収集した14.6 fb⁻¹ の pp 衝突データを用いた。
• ATLAS フォワードプロトン（AFP）スキャナを用いて、前方散乱プロトンを検出し、排他的およびシングル・ドロップアウト過程をタグ付けした。
• 中央ATLAS検出器で二光子最終状態を分析し、150–1600 GeV のインヴァリアント質量を持つ、高い横方向運動量を持つ二つの光子を要件とした。
• QCDおよび放射性背景を抑制するため、運動量およびトポロジー選別基準を適用した。
• ALP生成と整合的な狭いピークが観測されるかを確認するため、二光子質量分布における共鳴探索を実施した。
• ALP生成断面積の上限を設定し、γγへの分岐比が100%であると仮定して、ALP-光子結合定数の上限に解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光-光散乱を介したALP生成と整合的である二光子質量スペクトルに、狭い共鳴状態が観測されるか？
• RQ2 フォワードプロトンタグギングは、pp 衝突における排他的およびシングル・ドロップアウトALP生成の感度を向上させられるか？
• RQ3 150から1600 GeV の質量範囲におけるALP-光子結合定数の上限は何か？
• RQ4 背景抑制の観点から、従来の探索と比較して、質量到達範囲はどのように異なるか？

主な発見

• 150–1600 GeV の範囲で、滑らかな背景に対して有意な過剰は観測されなかった。
• 質量に応じたALP生成断面積の上限が設定され、特に150 GeV付近で最も厳しい制限が得られた。
• 95%信頼水準におけるALP-光子結合定数の上限は、質量範囲全域で0.04–0.09 TeV⁻¹の間であった。
• シングル・ドロップアウト過程を含めたことにより、純粋な二重タグギング手法よりも高い実験的受容率を達成した。
• 従来の包括的二光子探索と比較して、高質量領域におけるALPの除外限界が改善された。
• 本研究は、高エネルギー pp 衝突におけるALP結合定数の探査に、フォワードプロトンタグギングの有効性を示した。