[論文レビュー] Search for short- and long-lived axion-like particles in $H ightarrow a a ightarrow 4\gamma $ decays with the ATLAS experiment at the LHC

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2950 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS実験で得られた13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いて、ヒッグスボソンが2つの軸子様粒子（ALP）に崩壊し、それぞれが2つの光子にさらに崩壊する過程を探索する。この分析では、即時崩壊と長寿命ALPの両方の崩壊を調べ、ALP質量が100 MeVから62 GeV、結合定数が10⁻⁷ TeV⁻¹から1 TeV⁻¹の範囲で、H→aa→4γの分岐比に対する95%信頼水準の上限を設定した。

ABSTRACT

Presented is the search for anomalous Higgs boson decays into two axion-like particles (ALPs) using the full Run 2 data set of $140\, ext {fb}^{-1}$ of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $13\, ext {TeV}$ recorded by the ATLAS experiment. The ALPs are assumed to decay into two photons, providing sensitivity to recently proposed models that could explain the $(g-2)_\mu $ discrepancy. This analysis covers an ALP mass range from 100 to $62\, ext {GeV}$ and ALP-photon couplings in the range $10^{-7}\, ext {TeV}^{-1}

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるヒッグスボソンが2つの軸子様粒子（ALP）に崩壊する現象を探索すること。
• ALP-光子結合定数とALP質量のパラメータ空間を、特に変位した頂点を持つ長寿命ALPを含めて調査すること。
• ALPを介した光子への結合によってミュオンの(g−2)μの不一致を説明するモデルを検証すること。
• 高エネルギーで凝集した光子と変位した頂点を含むシグナルを組み込むことで、従来の即時崩壊のみの探索を超える感度を拡大すること。
• 広範なALP質量と結合定数の範囲で、H→aa→4γの分岐比に対する上限を設定すること。

提案手法

• Run 2期間にATLAS検出器が収集した√s = 13 TeVのpp衝突データ140 fb⁻¹を用いる。
• 長寿命ALPを同定するために、凝集した光子対および変位した頂点の専用再構成手法を採用する。
• 最終状態のトポロジーに基づいてイベントをカテゴリ化する：即時崩壊（光線がほぼ一直線の光子）、変位した崩壊（頂点が分離）、4光子最終状態。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、グルーオン融合およびベクトルボソン融合によるヒッグスボソン生成を含む、シグナルおよびバックグラウンド過程をモデル化する。
• 光子対のインバリアント質量再構成を適用し、潜在的なALPシグナルをQCDおよび電弱バックグラウンドから区別する。
• データ駆動型手法とシミュレーションを併用してバックグラウンドを推定し、光子再構成およびエネルギー分解能の詳細なモデル化を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験は、ALP質量と結合定数の広範な範囲において、ヒッグスボソンが2つのALPに崩壊し、それぞれが2つの光子に崩壊する過程に対して、どの程度の感度を持つのか？
• RQ2 変位した頂点を持つ長寿命ALPの崩壊を含めることで、従来の即時崩壊のみの探索に比べ、ALPパラメータ空間の探査範囲はどの程度向上するか？
• RQ3 H→aa→4γ崩壊モードは、ALP-光子結合を通じてミュオンの(g−2)μ異常を説明するモデルをどの程度まで探査できるか？
• RQ4 4光子最終状態における主なバックグラウンドは何か？特に凝集した光子が存在する状況で、それらを高精度で推定する方法は？
• RQ5 特に変位した頂点再構成および光子エネルギーキャリブレーションに関連するシステムティック不確実性は、H→aa→4γ分岐比に対する最終的な上限にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• H→aa→4γ探索チャンネルにおいて、標準模型バックグラウンドを上回る有意な過剰イベントは観測されなかった。
• ALP質量と結合定数に応じて、B(H→aa→4γ)の95%信頼水準における上限が10⁻⁵から3×10⁻²の範囲に設定された。
• ALP質量が15 GeVを超える領域では、8 TeVデータを用いた従来のATLAS解析に比べ、上限が約1桁厳しくなった。
• 本分析は、132 fb⁻¹の13 TeVデータを用いた以前のCMS解析と同等またはわずかに感度が優れている。
• 変位した頂点シグナルを組み込むことで、長寿命ALPのALP-光子結合定数Cₐᵧᵧ/Λ ≈ 10⁻⁷ TeV⁻¹まで探査可能となった。
• 本探索は、ALP質量100 MeVから62 GeV、結合定数10⁻⁷ TeV⁻¹から1 TeV⁻¹の広範なパラメータ空間をカバーし、従来の制約を著しく拡張した。