[論文レビュー] Search for displaced photons produced in exotic decays of the Higgs boson using 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ATLAS Run 2の13 TeV陽子陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いて、長寿命中性粒子（NLSP）に崩壊するエキゾチックなヒッグスボソン崩壊からのずれた光子を探索した。有意な過剰は観測されず、H → NLSP NLSPの分岐比に対して制限が設定された。質量差が大きく、中間的NLSP寿命の領域では、100%の分岐比（γ + LSP）を仮定した場合、最も厳しい制限が<1%であった。

ABSTRACT

A search is performed for delayed and nonpointing photons originating from the displaced decay of a neutral long-lived particle (LLP). The analysis uses the full Run 2 data set of proton-proton collisions delivered by the LHC at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV between 2015 and 2018 and recorded by the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The capabilities of the ATLAS electromagnetic calorimeter are exploited to precisely measure the arrival times and trajectories of photons. The results are interpreted in a scenario where the LLPs are pair-produced in exotic decays of the 125 GeV Higgs boson, and each LLP subsequently decays into a photon and a particle that escapes direct detection, giving rise to missing transverse momentum. No significant excess is observed above the expectation due to Standard Model background processes. The results are used to set upper limits on the branching ratio of the exotic decay of the Higgs boson. A model-independent limit is also set on the production of photons with large values of displacement and time delay.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグスボソンが、その後に光子と見えない粒子に崩壊する長寿命中性粒子（NLSP）の対に崩壊するエキゾチカルな崩壊を探索すること。
• 特にゲージ媒下スーパーシンメトリー破れ（GMSB）の文脈において、NLSPが光子と重力レプトン（gravitino）LSPに崩壊する場合の、ずれた非点光源光子を調べること。
• 特定のBSMモデルに依存しない、大きなずれと時間遅れを示す光子の生成に関するモデルに依存しない制限を設定すること。
• ATLAS液体アルゴン電磁エネルギー遮へい器からの正確な時間測定と指向性測定を活用して、長寿命粒子の感度を向上させること。

提案手法

• 2015–2018年の13 TeV pp衝突から得られたATLAS Run 2全データセット（139 fb⁻¹）を用い、Z、W、トップクォークの関連するレプトンによるトリガーを採用した。
• ATLAS LAr電磁遮へい器における光子の到着時刻（tγ）と軌道（指向性）の正確な測定を用いて、ずれた非点光源光子を特定した。
• 潜在的な長寿命粒子崩壊を分離するために、時間遅れ（1.5 < tγ < 12 ns）および横方向のずれ（|Δzγ| > 300 mm）に基づく選別基準を適用した。
• プロンプト背景をデータ駆動型の制御サンプルでモデル化し、背景のみのフィットを用いて予想される収量を推定した。
• NLSP質量（30–60 GeV）と質量差（NLSP質量より最大10 GeV低い）の2次元走査を実施し、B(NLSP → LSP + γ) = 100%を仮定した。
• 単一光子および複数光子最終状態の結果を統合し、95%信頼水準での可視断面積に関するモデルに依存しない制限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各NLSPが光子と見えないLSPに100%分岐する場合、ヒッグスボソンが長寿命中性粒子（NLSP）の対に崩壊する分岐比の上限は何か？
• RQ2 ATLAS検出器は、1.5–12 nsの大きな時間遅れと300 mm以上の空間的ずれを示す光子に対して、どの程度感度が高いか？
• RQ3 特定のBSM粒子モデルに依存しない、大きなずれと時間遅れを示す光子生成に関するモデルに依存しない制限は何か？
• RQ4 LAr遮へい器からの時間測定と指向性測定は、ヒッグスボソンのエキゾチカル崩壊における長寿命粒子崩壊の感度をどのように向上させるか？

主な発見

• 信号領域のいずれに対しても、標準模型背景予想値（4.1 ± 1.7 事象）に対して有意な過剰は観測されず、観測事象数（4事象）は背景予想と整合的であった。
• モデルに依存しない可視断面積の上限は、1γチャンネルで0.042 fb、≥2γチャンネルで0.022 fb（両者とも95%信頼水準）であった。
• 1γおよび≥2γチャンネルを統合した場合、可視断面積の95%信頼水準での上限は0.041 fbであり、特に制限が厳しい領域ではH → NLSP NLSPの分岐比が1%未満に制限された。
• NLSP質量が約60 GeVで、質量差が約10 GeVの領域で、分岐比B(H → NLSP NLSP)に対する最も厳しい制限が得られ、寿命が1〜10 nsの間では1%未満であった。
• 選別後、考慮された信号領域全体で、信号事象の再構築効率は約5%であった。
• 本分析は、大きなずれと時間遅れを示す光子生成に関する、初めてのモデルに依存しない制限を設定した。これは、特定のSUSYモデルを超えた探査範囲の拡張を実現した。