[논문 리뷰] Search for light long-lived neutral particles that decay to collimated pairs of leptons or light hadrons in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2904명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 √s = 13 TeV에서 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 바탕으로 힉스 보손 붕괴를 통해 생성된 경량의 장수 중성입자—특히 어둠의 보스론(dark photons)—를 위한 탐색을 제시한다. 이는 이격된 제트 재구성과 기계학습 기법을 사용하여, 10 mm에서 250 mm 사이의 평균 진동 길이를 가지며 어둠의 보스론 질량이 0.4에서 2 GeV 사이인 영역에서 95% 신뢰수준에서 Higgs 붕괴 분획이 1% 초과인 경우를 배제하는 새로운 배제 한계를 설정한다.

ABSTRACT

A search for light long-lived neutral particles with masses in the $O$(MeV-GeV) range is presented. The analysis targets the production of long-lived dark photons in the decay of a Higgs boson produced via gluon-gluon fusion or in association with a $W$ boson. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are selected in 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the LHC. Background estimates for contributions from Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are consistent with the expected background. Exclusion limits are reported on the production cross-section times branching fraction as a function of the mean proper decay length $cτ$ of the dark photon, or as a function of the dark-photon mass and kinetic mixing parameter that quantifies the coupling between the Standard Model and potential hidden (dark) sectors. A Higgs boson branching fraction above 1% is excluded at 95% CL for a Higgs boson decaying into two dark photons for dark-photon mean proper decay lengths between 10 mm and 250 mm and dark photons with masses between 0.4 GeV and 2 GeV.

연구 동기 및 목표

• 장수 중성입자, 특히 응집된 렙톤 쌍 또는 경량 하드론으로 붕괴하는 어둠의 보스론을 탐색하는 것.
• Higgs 포털을 통해 힉스 보손이 두 개의 어둠의 보스론으로 붕괴하고, 어둠의 보스론이 표준모형 광자와의 운동 에너지 혼합을 통해 붕괴하는 시나리오를 조사하는 것.
• 더 높은 루미노시티 데이터와 업데이트된 분석 기법을 활용하여, 매크로스코픽 붕괴 길이(10–250 mm)를 가진 장수 입자에 대한 민감도를 향상시키는 것.
• 어둠의 보스론 질량과 평균 진동 길이에 따라 Higgs 붕괴 분획에 대한 배제 한계를 설정하는 것.

제안 방법

• ATLAS 검출기가 쌓은 √s = 13 TeV에서 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 가지 탐색 범주를 사용한다: 글루온–글루온 융합과 WH 연관 생성으로, 서로 다른 힉스 생성 모드를 대상으로 한다.
• 이격된 제트(어둠의 보스론 제트)는 칼로리메터와 뮤온 스펙트로미터 데이터를 사용하여 재구성되며, 응집된 최종 상태에 중점을 둔다.
• 다변량 기법, 특히 3차원 칼로리메터 에너지 분포에 대한 컨volutional 신경망과 뮤온 트랙에 대한 밀집 신경망을 사용하여 신호 민감도를 향상시킨다.
• 표준모형 과정과 기기적 영향으로 인한 배경는 시뮬레이션 대신 데이터에서 추정한다.
• 분석은 두 모델에서 해석된다: FRVZ 모델(어둠의 페르미온 붕괴를 통한)과 HAHM 모델(직접 Higgs에서 두 개의 어둠의 보스론으로 붕괴), 양쪽에 대해 배제 한계가 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 검출기가 어둠의 보스론 질량이 0.4에서 2 GeV 사이이며 평균 진동 길이가 10에서 250 mm 사이인 장수 어둠의 보스론에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ2 특정 어둠의 보스론 매개변수에 대해 Higgs 보손의 붕괴 분획이 1% 초과인 경우 ATLAS 실험이 배제할 수 있는가?
• RQ3 이격된 제트 재구성과 기계학습 기법은 이전 탐색 대비 장수 입자에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 질량이 10 MeV 이상이고 수명이 10–250 mm 범위인 어둠의 보스론에 대해 운동 에너지 혼합 매개변수 𝜖에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 결과는 이전 탐색과 비교하여 어떻게 되며, 콜라이더, 빔 덤프, 천체물리학 데이터로부터의 다른 실험 제약과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 어둠의 보스론 질량이 0.4 GeV에서 2 GeV 사이인 경우, Higgs 보손의 붕괴 분획이 1% 초과인 것은 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• 10 mm에서 250 mm 사이의 평균 진동 길이에 대해 배제 한계가 설정되었으며, 장수 어둠의 보스론의 중요한 매개변수 공간을 커버한다.
• 더 높은 루미노시티(139 fb⁻¹ 대비 36.1 fb⁻¹)와 향상된 재구성 기법 덕분에 이전 ATLAS 탐색보다 더 높은 민감도를 달성하였다.
• 배경 추정은 시뮬레이션에 의존하지 않고 데이터에서 유도되어 결과의 견고성과 신뢰성을 높였다.
• 운동 에너지 혼합 매개변수 𝜖 < 10⁻⁵인 어둠의 보스론에 대해 민감도를 확보하였으며, 이는 매크로스코픽 붕괴 길이에 해당한다.
• 모든 신호 영역에서 배경에 대한 유의미한 초과가 관측되지 않았으며, 표준모형 예측과 일치한다.