[논문 리뷰] Search for an axion-like particle with forward proton scattering in association with photon pairs at ATLAS

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2963명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 검출기와 그의 프ор워드 프로톤 스펙트로미터를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 빛-빛 산란을 통해 축상입자유입자(AXP)를 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 질량이 150–1600 GeV 사이인 경우 95% 신뢰수준에서 ALP 결합 상수에 대한 상한은 0.04–0.09 TeV⁻¹이다.

ABSTRACT

A search for forward proton scattering in association with light-by-light scattering mediated by an axion-like particle is presented, using the ATLAS Forward Proton spectrometer to detect scattered protons and the central ATLAS detector to detect pairs of outgoing photons. Proton-proton collision data recorded in 2017 at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV were analysed, corresponding to an integrated luminosity of 14.6 fb$^{-1}$. A total of 441 candidate signal events were selected. A search was made for a narrow resonance in the diphoton mass distribution, corresponding to an axion-like particle (ALP) with mass in the range 150-1600 GeV. No excess is observed above a smooth background. Upper limits on the production cross section of a narrow resonance are set as a function of the mass, and are interpreted as upper limits on the ALP production coupling constant, assuming 100% decay branching ratio into a photon pair. The inferred upper limit on the coupling constant is in the range 0.04-0.09 TeV$^{-1}$ at 95%confidence level.

연구 동기 및 목표

• 빛-빛 산란을 통해 축상입자유입자(AXP)에 의해 매개되는 이광자 최종 상태에서의 좁은 공명을 탐색하기 위해.
• 전방 프로톤 태깅을 활용하여 광자와의 ALP 결합을 탐색하여 신호 감도를 향상시키기 위해.
• 이전의 포함적인 이광자 분석에 비해 더 높은 질량(150–1600 GeV) 영역까지 ALP 탐색의 영향 범위를 확장하기 위해.
• 적어도 하나의 태깅된 프로톤을 요구하여 배경 억제를 향상시키고, 독립적 및 단일 분해 과정의 선택성을 높이기 위해.

제안 방법

• 2017년에 ATLAS가 수집한 √s = 13 TeV에서의 14.6 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 전방 프로톤( AFP) 스펙트로미터를 활용하여 전방 산란 프로톤을 탐지하고, 독립적 및 단일 분해 과정을 태깅한다.
• 중앙 ATLAS 검출기에서 이광자 최종 상태를 분석하며, 150–1600 GeV 범위의 진동 질량을 갖는 두 개의 고수직운동량 광자를 요구한다.
• QCD 및 복사 유도 배경을 억제하기 위해 운동학적 및 기하학적 선택 조건을 적용한다.
• 이광자 질량 분포에서 공명 탐색을 수행하여 좁은 피크가 ALP 생성과 일치하는지 확인한다.
• γγ로의 100% 분해비율을 가정할 때, ALP 생성 단면적에 대한 상한을 설정하고 이를 ALP-광자 결합 상수에 대한 상한으로 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛-빛 산란을 통해 ALP 생성과 일치하는 좁은 공명이 이광자 질량 스펙트럼에 나타나는가?
• RQ2 전방 프로톤 태깅은 pp 충돌에서 독립적 및 단일 분해 ALP 생성에 대한 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 150에서 1600 GeV 사이의 질량에 대해 ALP-광자 결합 상수에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ4 배경 억제 및 질량 영역 측면에서 이전의 탐색 결과와 비교해 볼 때 결과는 어떻게 다른가?

주요 결과

• 150–1600 GeV 범위의 이광자 질량 분포에서 매끄러운 배경 이상의 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 질량에 따라 ALP 생성 단면적에 대한 상한이 설정되었으며, 가장 엄격한 제약는 약 150 GeV 근처에서 나타났다.
• 95% 신뢰수준에서 ALP-광자 결합 상수에 대한 상한은 질량 범위 전반에서 0.04에서 0.09 TeV⁻¹ 사이이다.
• 단일 분해 과정을 포함함으로써 순수 이중 태깅 방법보다 더 높은 실험적 수용률을 달성하였다.
• 이전의 포함적인 이광자 탐색에 비해 고질량 영역에서 ALP의 배제 한계를 향상시켰다.
• 이 연구는 고에너지 pp 충돌에서 ALP 결합을 탐색하기 위해 전방 프로톤 태깅의 실현 가능성을 입증하였다.