[논문 리뷰] Search for boosted diphoton resonances in the 10 to 70 GeV mass range using 138 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 2015~2018년 동안 수집한 138 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 10–70 GeV 질량 범위 내에서 강하게 결합된 이중광자 공명을 탐색한다. 배경을 억제하기 위해 고운동량의 가까이 붙은 광자 쌍을 선택하고, 배경 형태를 모델링하기 위해 가우시안 프로세스 스무딩을 적용함으로써, 이 질량 범위에서 글루온과 광자와 결합하는 즉각 붕괴하는 축합형 입자(AXION-LIKE PARTICLES)에 대한 현재까지 가장 강력한 제한을 설정하였다. 유의미한 초과는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

A search for diphoton resonances in the mass range between 10 and 70 GeV with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The analysis is based on $pp$ collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded from 2015 to 2018. Previous searches for diphoton resonances at the LHC have explored masses down to 65 GeV, finding no evidence of new particles. This search exploits the particular kinematics of events with pairs of closely spaced photons reconstructed in the detector, allowing examination of invariant masses down to 10 GeV. The presented strategy covers a region previously unexplored at hadron colliders because of the experimental challenges of recording low-energy photons and estimating the backgrounds. No significant excess is observed and the reported limits provide the strongest bound on promptly decaying axion-like particles coupling to gluons and photons for masses between 10 and 70 GeV.

연구 동기 및 목표

• 이전의 65 GeV 이하의 임계값을 넘어서 LHC 이중광자 공명 탐색의 감도를 확장하여, 축합형 입자(AXION-LIKE PARTICLES)와 같은 경량 새로운 물리 현상을 타깃으로 삼는다.
• 10–70 GeV 범위에서 저에너지 광자 탐지 및 정확한 배경 모델링의 실험적 과제를 극복한다.
• 가까이 붙은 광자 쌍과 높은 이중광자 횡운동량(pT > 50 GeV)을 선택함으로써 감도를 향상시키고, 배경 형태를 평탄하게 한다.
• 10–70 GeV 범위 내에서 이중광자로 붕괴하는 좁은 공명의 생산 단면적과 분해비의 곱에 대한 가장 엄격한 제한을 설정한다.
• 관측된 제한을 축합형 입자 매개변수 공간으로 재구성하여 글루온과 광자와의 결합에 기반한 질량과 붕괴 상수를 제약한다.

제안 방법

• 분석은 2015~2018년 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 감도를 높이기 위해 횡운동량 > 50 GeV인 가까이 붙은 광자 쌍을 기반으로 이벤트를 선택한다.
• 이중광자 진동 질량 스펙트럼에 대해 분석 함수로 구성된 배경 모델을 피팅하며, 시뮬레이션된 배경 샘플에 가우시안 프로세스를 적용하여 불확실성을 완화한다.
• 신호 및 배경 성분을 동시에 최대우도 피팅을 통해 신호 강도에 대한 제한을 추출한다.
• 운동학적 선택 조건을 통해 배경 형태를 평탄화함으로써, 복잡한 함수 형태의 필요성을 줄이고 피팅의 안정성을 향상시킨다.
• 공명 질량에 따라 σfid × B(X → γγ)에 대한 제한을 설정하고, 글루온과 광자와의 결합을 사용하여 축합형 입자 매개변수 공간으로 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전의 배경 모델링 및 저에너지 광자 탐지로 인해 제한되었던 65 GeV 이하의 이중광자 공명에 대해 ATLAS 실험이 새로운 제한을 설정할 수 있는가?
• RQ2 가까이 붙은 고운동량 광자 쌍의 선택이 저질량 이중광자 채널에서 배경 억제 및 감도 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 가우시안 프로세스 스무딩이 이중광자 진동 질량 스펙트럼의 배경 모델링 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 즉각 붕괴하는 이중광자로 붕괴하는 질량이 10–70 GeV인 축합형 입자에 대해 가장 강력한 제약는 무엇인가?
• RQ5 관측된 제한은 글루온과 광자와의 결합에 기반한 축합형 입자에 대한 이론적 기대와 10–70 GeV 범위에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 10–70 GeV 범위 전역에서 이중광자 진동 질량 스펙트럼에 유의미한 초과가 관측되지 않아 새로운 공명에 대한 증거가 없다는 것을 시사한다.
• 이 분석은 10–70 GeV 질량 범위 내에서 즉각 붕괴하는 공명에 대한 생산 단면적과 분해비의 곱에 대해 현재까지 가장 강력한 실험적 제한을 설정하였다.
• 글루온과 광자와의 결합에 기반한 축합형 입자에 대한 제한은 특히 10–30 GeV 질량 영역에서 크게 향상되었다.
• 가우시안 프로세스 스무딩의 사용은 배경 모델링의 체계적 불확실성을 감소시켜 제한의 강건성을 향상시켰다.
• 고이중광자 횡운동량(>50 GeV) 조건을 요구함으로써 배경 형태가 성공적으로 평탄화되었고, 정확한 분석 함수 모델링이 가능해졌다.
• 이 연구는 이중광자 공명 탐색에서 이전에 탐색되지 않은 영역으로 LHC의 감도를 확장하였으며, 경량이고 좁은 공명을 포함한 다양한 뒷물리(BSM) 시나리오를 다룰 수 있게 하였다.