[論文レビュー] Search for boosted diphoton resonances in the 10 to 70 GeV mass range using 138 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて2015年から2018年までに取得された138 fb⁻¹の13 TeV陽子-陽子衝突データを用い、10–70 GeVの質量範囲におけるブーストされた二光子共鳴状態の探索を報告する。背景を抑制するために高運動量の近接した光子対を選択し、バックグラウンド形状をモデル化するためにガウス過程平滑化を用いることで、この質量範囲におけるグルーオンおよび光子と結合する即時崩壊するアキソン様粒子（ALP）に対する、これまでで最も厳しい制限を設定した。有意な過剰は観測されなかった。

ABSTRACT

A search for diphoton resonances in the mass range between 10 and 70 GeV with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The analysis is based on $pp$ collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded from 2015 to 2018. Previous searches for diphoton resonances at the LHC have explored masses down to 65 GeV, finding no evidence of new particles. This search exploits the particular kinematics of events with pairs of closely spaced photons reconstructed in the detector, allowing examination of invariant masses down to 10 GeV. The presented strategy covers a region previously unexplored at hadron colliders because of the experimental challenges of recording low-energy photons and estimating the backgrounds. No significant excess is observed and the reported limits provide the strongest bound on promptly decaying axion-like particles coupling to gluons and photons for masses between 10 and 70 GeV.

研究の動機と目的

• LHCの二光子共鳴状態探索の感度を、以前の65 GeVの閾値以下まで拡張し、アキソン様粒子（ALP）のような軽い新物理を対象とする。
• 10–70 GeV範囲における低エネルギー光子の検出と、バックグラウンドの正確なモデル化という実験的課題を克服する。
• 近接した光子対と高い二光子横運動量（pT > 50 GeV）を選択することで感度を向上させ、バックグラウンド形状を平坦化する。
• 10–70 GeV範囲における狭い共鳴状態が二光子に崩壊する場合の生成断面積と分岐比の積に対する、最も厳しい制限を設定する。
• 観測された制限を再解釈し、グルーオンおよび光子と結合するALPの質量と崩壊定数のパラメータ空間を制約する。

提案手法

• 本分析では、2015年から2018年までにATLAS検出器が取得した138 fb⁻¹の13 TeV pp衝突データを用いる。
• 感度を高めるために、横運動量が50 GeVを超える近接した光子対に基づいてイベントを選択する。
• 二光子インvariant質量スペクトルに解析的関数から成るバックグラウンドモデルをフィットし、シミュレートされたバックグラウンドサンプルにガウス過程を適用することで不確実性を低減する。
• 信号およびバックグラウンド成分を同時モデル化し、尤度フィットを用いて信号強度の制限を抽出する。
• 運動量選択によってバックグラウンド形状を平坦化することで、複雑な関数形の必要性を低減し、フィットの安定性を向上させる。
• 共鳴状態の質量関数としてσfid × B(X → γγ)の制限を設定し、グルーオンおよび光子との結合を用いてALPパラメータ空間に再解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験は、バックグラウンドモデル化と低エネルギー光子検出の課題により、65 GeV未満の二光子共鳴状態探索が制限されていた領域において、新たな制限を設定できるか？
• RQ2 近接した高pT光子対の選択は、低質量二光子チャンネルにおけるバックグラウンド抑制と感度向上にどの程度効果的か？
• RQ3 ガウス過程平滑化は、二光子インvariant質量スペクトルにおけるバックグラウンドモデル化のロバストネスをどの程度向上させられるか？
• RQ4 即時崩壊して二光子に崩壊する質量10–70 GeVのアキソン様粒子に対する、最も厳しい制約は何か？
• RQ5 観測された制限は、10–70 GeV範囲におけるグルーオンおよび光子と結合するALPの理論的期待値と比較してどの程度一致するか？

主な発見

• 10–70 GeV範囲の全範囲にわたり、二光子インvariant質量スペクトルに有意な過剰は観測されず、新たな共鳴状態の証拠はない。
• 本分析は、10–70 GeVの質量範囲における即時崩壊する共鳴状態の生成断面積と分岐比の積について、これまでで最も厳しい実験的制限を設定した。
• グルーオンおよび光子と結合するアキソン様粒子に対する制限は、特に10–30 GeVの質量領域で顕著に改善された。
• ガウス過程平滑化の使用により、バックグラウンドモデル化における系統的不確実性が低減され、制限のロバストネスが向上した。
• 高二光子横運動量（>50 GeV）を要件とすることで、バックグラウンド形状が成功裏に平坦化され、正確な解析的モデル化が可能になった。
• 本研究により、LHCの二光子共鳴状態探索の感度が、以前は未調査の領域にまで拡張され、軽量で狭い共鳴状態を含む広範なBSMのシナリオをカバーした。