[論文レビュー] Search for long-lived particles decaying to a pair of muons in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2383 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、LHCのCMS実験で得られた97.6 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、長寿命粒子（LLP）がmuon対に崩壊する過程を探索する。cτ(ZD)が0.03 mmから数メートルの範囲において、ダークフォトン（ZD）へのヒッグス粒子の分支比に関する、これまでで最も感受性の高い制限を設定し、ヒッグス粒子より重いExoticスカラー粒子から生成される、質量>10 GeVのLLPがdimuonに崩壊する場合の制約を最も厳密に示した。

ABSTRACT

An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb$^{-1}$. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundred $\mu$m to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons Z$_\mathrm{D}$, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model with $m_\mathrm{Z_D}$ greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons for $c au$(Z$_\mathrm{D}$) (varying with $m_\mathrm{Z_D}$) between 0.03 and ${\approx}$0.5 mm, and above ${\approx}$0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、異常な電荷をもつmuon対に崩壊する長寿命のExotic粒子を探索すること。
• 隠れたアーベルヒッグス模型における長寿命ダークフォトン（ZD）へのヒッグス粒子の分支比に関する、改善された制約を設定すること。
• ヒッグス粒子より重いExoticな重い中性スカラー粒子から生成される、質量>10 GeVの長寿命粒子がdimuonに崩壊する場合の、これまでで最も厳しい制限を確立すること。
• 数百マイクロメートルから数メートルにわたる広い範囲の崩壊長に対して、ずれたdimuonシグネーピタを検出する感度を拡張すること。
• 本分析で直接考慮されていないモデルにおいて、結果を再解釈可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 2016年および2018年のCMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ97.6 fb⁻¹を用いる。
• dimuonに崩壊する広範なLLPモデル群に対する感度を最大化するために、緩い基準を用いた最小限のイベント選別を実施する。
• トラッキングおよびミューオン系の再構築を用いて、一次衝突点から空間的に分離した二次頂点（displaced dimuon vertices）を同定する。
• データ駆動型手法とシミュレーションベースのモデリングを組み合わせた、高度なバックグラウンド推定技術を採用する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、隠れたアーベルヒッグス模型およびExoticスカラー崩壊を含む信号過程をモデル化する。
• システムティックな不確実性補正を信号効率およびバックグラウンド推定に適用し、制御領域を用いた詳細な妥当性確認を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れたアーベルヒッグス模型における、長寿命ダークフォトン（ZD）へのヒッグス粒子の分支比に関する、最も厳しい制限は何か？
• RQ2 質量>10 GeVの長寿命粒子が、ヒッグス粒子より重いExoticな重い中性スカラー粒子から生成され、muon対に崩壊する場合、CMS実験の感度はどの程度か？
• RQ3 数百マイクロメートルから数メートルにわたる崩壊長を有するLLP崩壊に対する感度はどの程度か？
• RQ4 √s = 8 TeVでの以前の探索や、13 TeVでのATLASの結果と比較して、本結果はどのように異なるか？
• RQ5 本分析で明示的に検討されていないモデルにおいて、結果をどの程度再解釈できるか？

主な発見

• cτ(ZD)が0.03 mmから約0.5 mmの範囲および約0.5 mを超える範囲において、ダークフォトン（ZD）へのヒッグス粒子の分支比に関する、これまでで最も感受性の高い制限を設定した。
• m(ZD) > 20 GeVかつm(ZD) < m(H)/2の条件下で、広い範囲の崩壊長において、以前の制約を上回る改善を達成した。
• ヒッグス粒子より重いExoticスカラー粒子から生成され、質量>10 GeVの長寿命粒子がmuon対に崩壊する場合、これまでで最も厳しい制約を提供した。
• 二次頂点のずれが数100マイクロメートルから数メートルにわたる範囲にわたり、広い範囲のLLP寿命をカバーする感度を有していた。
• 結果は、2つのベンチマークフレームワークを超える多様な新物理モデルにおける再解釈を可能とするため、HEPDataに公開された。
• より高い全ラティチュード、より高い中心系エネルギー、および洗練された選別およびバックグラウンド推定技術のおかげで、以前のCMS Run 1探索に比べて感度が向上したことが示された。