[논문 리뷰] Search for displaced photons produced in exotic decays of the Higgs boson using 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

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

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 52인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS Run 2의 139 fb⁻¹에 해당하는 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여, 장수 중성입자(NLSP)로의 이국적 힉스 보손 붕괴에서 발생하는 이격된 광자를 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, H → NLSP NLSP 붕괴의 분해비에 대한 제한이 설정되었으며, 중간적 NLSP 수명과 큰 질량 차이를 가진 경우에서 가장 엄격한 제약 조건은 1% 미만이 되며, 100%의 분해비를 γ + LSP로 가정한다.

ABSTRACT

A search is performed for delayed and nonpointing photons originating from the displaced decay of a neutral long-lived particle (LLP). The analysis uses the full Run 2 data set of proton-proton collisions delivered by the LHC at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV between 2015 and 2018 and recorded by the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The capabilities of the ATLAS electromagnetic calorimeter are exploited to precisely measure the arrival times and trajectories of photons. The results are interpreted in a scenario where the LLPs are pair-produced in exotic decays of the 125 GeV Higgs boson, and each LLP subsequently decays into a photon and a particle that escapes direct detection, giving rise to missing transverse momentum. No significant excess is observed above the expectation due to Standard Model background processes. The results are used to set upper limits on the branching ratio of the exotic decay of the Higgs boson. A model-independent limit is also set on the production of photons with large values of displacement and time delay.

연구 동기 및 목표

• 125 GeV의 힉스 보손이 장수 중성입자(NLSP) 쌍으로 붕괴하는 이국적 붕괴를 탐색하며, 이후 NLSP가 광자와 투명한 입자로 붕괴하는 경우를 대상으로 한다.
• 특히 게이지 매개 초대칭 붕괴(GMSB)의 맥락에서 NLSP가 광자와 중력보 LSP로 붕괴하는 경우의 이격되고 비지향적인 광자를 탐색한다.
• 특정 뒷받침되지 않은 물리 모델(BSM)에 의존하지 않고, 큰 이격과 시간 지연을 가지는 광자 생성에 대한 모델 독립적 제한을 설정한다.
• ATLAS 액체-알루미늄 전자기 칼로리미터에서의 정밀한 시간 측정 및 지향성 측정을 활용하여 장수 입자 탐지 감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 2015–2018년 동안의 13 TeV pp 충돌에서 수집된 ATLAS 전체 Run 2 데이터 세트 139 fb⁻¹를 사용하며, Z, W 또는 탑 쿼크 생성과 관련된 렙톤을 통한 이벤트 트리거를 적용한다.
• ATLAS LAr 전자기 칼로리미터에서 광자 도착 시간(tγ)과 경로(지향성)를 정밀하게 측정하여 이격되고 비지향적인 광자를 식별한다.
• 장수 입자 붕괴를 분리하기 위해 시간 지연(1.5 < tγ < 12 ns)과 수평 이격(|Δzγ| > 300 mm) 기반의 선택 기준을 적용한다.
• 데이터 기반 제어 샘플을 사용하여 프롬프트 배경을 모델링하고, 배경 전용 피팅을 통해 예상 수확량을 추정한다.
• NLSP 질량(30–60 GeV)과 질량 차이(최대 NLSP 질량 이하 10 GeV)에 대해 이중 차원 스캔을 수행하며, B(NLSP → LSP + γ) = 100%를 가정한다.
• 단일 및 다중 광자 최종 상태의 결과를 통합하여 감도를 향상시키고, 95% 신뢰수준에서 모델 독립적 visible 횡단면 제한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 NLSP가 광자와 투명한 LSP로 붕괴한다고 가정할 때, 힉스 보손이 장수 중성입자(NLSP) 쌍으로 붕괴하는 분해비의 상한은 얼마인가?
• RQ2 ATLAS 검출기는 이격된 붕괴에서 유래한 시간 지연(1.5–12 ns)과 공간 이격(>300 mm)을 가지는 광자 탐지에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 특정 BSM 입자 모델에 의존하지 않고, 큰 이격과 시간 지연을 가지는 이격 광자 생성에 대한 모델 독립적 제한은 무엇인가?
• RQ4 LAr 칼로리미터에서의 시간 측정 및 지향성 측정은 힉스 보손의 이국적 붕괴에서 장수 입자 붕괴 감도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 모든 신호 영역에서 표준모형 배경 예측(4.1 ± 1.7 이벤트)과 일치하는 관측된 이벤트 수(4개)가 배경 예측과 일치하며, 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 모델 독립적 visible 횡단면 제한은 1γ 채널에서 0.042 fb, ≥2γ 채널에서 0.022 fb로, 모두 95% CL에서 설정되었다.
• 1γ 및 ≥2γ 채널을 통합한 결과, 95% CL에서 visible 횡단면 제한은 0.041 fb이며, 이는 가장 제약이 강한 영역에서 H → NLSP NLSP의 분해비가 1% 미만임을 의미한다.
• NLSP 질량이 약 60 GeV이고 질량 차이가 약 10 GeV일 경우, 분해비 B(H → NLSP NLSP)에 대한 가장 엄격한 제한이 도출되었으며, 수명이 1~10 ns 사이일 경우 1% 이하였다.
• 선택 조건를 통과한 신호 이벤트의 재구성 효율은 고려된 모든 신호 영역에서 약 5%였다.
• 이 분석은 큰 이격과 시간 지연를 가지는 이격 광자 생성에 대해 처음으로 모델 독립적 제한을 설정하였으며, 특정 SUSY 모델을 초월한 탐색 범위를 확장하였다.