[논문 리뷰] Constraining off-shell production of axion-like particles with $Zγ$ and $WW$ differential cross-section measurements

S. Carrá, V. Goumarre외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 WW 및 Zγ 생성의 미분 단면적 측정을 이용하여 저질량 아키온 유사 입자(ALPs)의 W 및 Z 보손, 그리고 광자와의 결합을 제약한다. 글루온-글루온 융합 채널에서 ATLAS 데이터를 분석함으로써, ALP 기여는 이중보손 단면적의 고에너지 尾부를 증가시키며, 특히 1 TeV 이상의 ALP 붕괴 상수를 가진 경우 이전의 탐색보다 더 강력한 제약를 제공한다.

ABSTRACT

This article describes a search for low-mass axion-like particles (ALPs) at the Large Hadron Collider (LHC). If ALPs were produced at the LHC via gluon-gluon fusion and decayed to bosons, the energy dependence of the measured diboson cross-sections would differ from the Standard Model expectation. Measurements of $WW$ and $Zγ$ differential cross-sections by the ATLAS collaboration are interpreted to constrain ALP couplings to $W$-, $Z$-bosons and photons assuming gluon-gluon-fusion production.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 글루온-글루온 융합를 통한 저질량 축상입자(ALPs)의 비공진 상태 생성을 탐색하기 위해.
• WW 및 Zγ 최종 상태의 미분 단면적 측정을 이용하여 ALP가 W, Z, 그리고 광자와의 결합을 제약하기 위해.
• ALP 기여가 중심질량 에너지 √ŝ에 따라 증가하는 고에너지 꼬리 영역을 탐색함으로써, 기존의 ALP 결합 제약를 향상시키기 위해.
• ALP 결합을 붕괴 상수 fa 및 결합 계수 ˜cW, ˜cB, ˜cG로 매개변수화한 효과적 장 이론(EFT) 프레임워크를 적용하기 위해.
• 모델 독립적인 방식으로 ATLAS 데이터를 해석함으로써, 어떤 fa 값에도 스케일링 가능한 결과를 도출하기 위해.

제안 방법

• 게이지 불변 연산자를 포함한 선형 효과적 장 이론(EFT)을 사용하여 SM 보손과의 ALP 결합을 기술하며, 질량 차원 순서로 정렬한다.
• ALP 결합을 fa와 관련된 물리적 결합 gagg, gaWW, gaZZ, gaγγ, gaZγ로 연결하는 계수 ˜cW, ˜cB, ˜cG로 매개변수화한다.
• ATLAS에서의 미분 단면적 측정을 분석: WW0j (36.1 fb⁻¹), WW1j (139 fb⁻¹), Zγ (139 fb⁻¹), 모두 운동학적 절삭 조건으로 정의된 피드유얼 영역에서.
• ALP 기여를 ggF에서 s-채널 교환으로 모델링하며, 단면적은 ∝ gagg² gaV1V2² ŝ 비례로 증가하며 중심질량 에너지 ŝ에 따라 증가한다.
• 실험 보정을 적용하고 관측된 미분 분포를 표준모형(SM) 예측과 비교하여 ALP 결합에 대한 상한을 설정한다.
• fa에 대한 의존성을 제거함으로써 결과를 어떤 fa 값에도 스케일링 가능하게 하여, fa > 1 TeV인 경우의 제약를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 고에너지 꼬리 영역의 미분 WW 및 Zγ 단면적은 저질량 축상입자(ALPs)의 비공진 상태 생성을 탐색하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 ALP가 W, Z, 그리고 광자와의 결합은 ggF 채널에서의 이중보손 미분 단면적의 형태와 정규화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이전의 탐색에 비해 ALP 결합에 대한 개선된 제약는 무엇이며, 특히 ALP 붕괴 상수가 1 TeV 이상일 경우 어떻게 향상되는가?
• RQ4 기존의 ATLAS 측정값(ww 및 Zγ 생성)은 EFT 프레임워크에서 ALP 결합을 어느 정도 배제하는가?
• RQ5 매개변수화된 결합을 가진 EFT 접근법은 특정 생산 모드를 가정하지 않고도 ALP 상호작용에 대해 강력하고 확장 가능한 제약를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 이 논문은 ALP가 W 및 Z 보손과의 결합에 대해 지금까지 가장 엄격한 제약를 설정하였으며, 특히 ALP 붕괴 상수가 fa > 1 TeV일 경우 더욱 두드러진다.
• gaWW의 경우, 95% 신뢰수준에서 결합 강도에 대한 상한은 fa = 1 TeV일 때 약 0.015로 이전 제약보다 약 2배 향상되었다.
• gaZγ의 경우, 95% 신뢰수준에서 상한은 fa = 1 TeV일 때 약 0.012로 이전 제약와 유사한 향상 수준을 보였다.
• WW0j 및 WW1j의 미분 단면적의 고에너지 꼬리 영역가 ALP 기여에 가장 민감하며, ALP 매개 과정은 √ŝ에 따라 증가하는 반면 표준모형 과정은 1/ŝ에 비례하여 감소하기 때문이다.
• Higgs-ALP 혼합 매개변수 caφ의 변화에 대해 결과가 강인함을 확인하였으며, 이는 이 결합이 0으로 설정되어 있을 때 제약가 민감하지 않음을 확인한다.
• 분석은 고에너지 꼬리 영역의 미분 단면적 측정이 비공진 영역에서의 새로운 물리 현상을 탐색하는 데 매우 강력한 수단임을 보여주며, 특히 약하게 결합된 저질량 입자에 대해 유용하다.