[論文レビュー] Search for light long-lived neutral particles that decay to collimated pairs of leptons or light hadrons in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2904 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて、13 TeVのpp衝突で得られた139 fb⁻¹のデータにおいて、ヒッグスボソンの崩壊を通じて生成される軽量で長寿命の中性粒子（特にダークフォトン）の探索を報告する。非定常ジェット再構成と機械学習技術を用い、95%信頼水準（CL）で、平均固有崩壊長が10 mmから250 mmの間で、ダークフォトン質量が0.4から2 GeVの範囲において、2つのダークフォトンへのヒッグスブランチング比が1%を超える領域を新たに除外する。

ABSTRACT

A search for light long-lived neutral particles with masses in the $O$(MeV-GeV) range is presented. The analysis targets the production of long-lived dark photons in the decay of a Higgs boson produced via gluon-gluon fusion or in association with a $W$ boson. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are selected in 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the LHC. Background estimates for contributions from Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are consistent with the expected background. Exclusion limits are reported on the production cross-section times branching fraction as a function of the mean proper decay length $cτ$ of the dark photon, or as a function of the dark-photon mass and kinetic mixing parameter that quantifies the coupling between the Standard Model and potential hidden (dark) sectors. A Higgs boson branching fraction above 1% is excluded at 95% CL for a Higgs boson decaying into two dark photons for dark-photon mean proper decay lengths between 10 mm and 250 mm and dark photons with masses between 0.4 GeV and 2 GeV.

研究の動機と目的

• 長寿命の中性粒子、特に凝集したレプトン対または軽いハドロン対に崩壊するダークフォトンの探索を目的とする。
• ヒッグスボソンがダークフォトン2個に崩壊する可能性のあるシナリオを調べる。この場合、ヒッグスボソンはヒッグスポータルを通じて、標準模型（SM）のフォトンと運動量混合を介してダークフォトンに崩壊する。
• 更新された解析手法と高い統計量のデータを用いて、マクロな崩壊長（10–250 mm）を持つ長寿命粒子の感度を向上させる。
• ダークフォトン質量と平均固有崩壊長の関数として、ヒッグスブランチング比への除外限界を設定する。

提案手法

• 本解析は、ATLAS検出器が収集した13 TeVのpp衝突データ139 fb⁻¹を用いる。
• 2つの探索カテゴリを用いる：グルーオン–グルーオン融合とWH関連生成で、異なるヒッグス生成モードを対象とする。
• 非定常ジェット（ダークフォトンジェット）は、コンパクトな最終状態に注目し、コロイメータとミューオンスペクトロメータのデータを用いて再構成する。
• 信号感度の向上のため、3次元コロイメータエネルギー分布に適用する畳み込みニューラルネットワークと、ミューオントラックに適用する密度ニューラルネットワークを含む多次元技術を用いる。
• 標準模型の過程や機器的要因に起因するバックグラウンドは、シミュレーションではなくデータから推定する。
• 解析は2つのモデルで解釈される：FRVZモデル（ダークフェルミオンの崩壊経路を介して）とHAHMモデル（ヒッグスが直接2つのダークフォトンに崩壊する）。両モデルに対して除外限界が導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS検出器は、質量が0.4から2 GeV、平均固有崩壊長が10から250 mmの間の長寿命ダークフォトンに対して、どの程度の感度を持つのか？
• RQ2 特定のダークフォトンパラメータに対して、ヒッグスボソンのブランチング比が1%を超える領域をATLAS実験が除外できるか？
• RQ3 非定常ジェット再構成と機械学習技術は、過去の探索と比較して、長寿命粒子の感度をどのように向上させるか？
• RQ4 質量が10 MeVを超えるダークフォトンで、10–250 mmの寿命を有する場合、運動量混合パラメータ𝜖に対する制約は何か？
• RQ5 今回の結果は、過去の探索やコライダー、ビームダンプ、天体的データからの他の実験的制約と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• ダークフォトン質量が0.4 GeVから2 GeVの範囲で、ヒッグスボソンの2つのダークフォトンへのブランチング比が1%を超える領域は、95%信頼水準で除外された。
• 平均固有崩壊長が10 mmから250 mmの範囲で除外限界が設定され、長寿命ダークフォトンのパラメータ空間の広い領域をカバーした。
• 統計量の増加（139 fb⁻¹ vs. 36.1 fb⁻¹）と、改善された再構成技術のおかげで、過去のATLAS探索よりも高い感度を達成した。
• バックグラウンド推定はデータから得られており、シミュレーションへの依存を減らし、結果の信頼性を高めた。
• 運動量混合パラメータ𝜖 < 10⁻⁵のダークフォトンに対しても感度があり、これはマクロな崩壊長に対応する。
• すべての信号領域において、バックグラウンドを超える顕著な過剰は観測されず、標準模型の予測と整合的であった。