[논문 리뷰] Search for short- and long-lived axion-like particles in $H ightarrow a a ightarrow 4\gamma $ decays with the ATLAS experiment at the LHC

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2950명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 실험에서 13 TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터 140 fb⁻¹를 사용하여 힉스 보손이 두 개의 악시온-유사 입자(ALP)로 붕괴하고, 각각이 두 개의 양성자로 붕괴하는 과정 H→aa→4γ에 대한 탐색을 수행한다. 분석은 즉각적인 붕괴와 장수 생애 시간을 가진 ALP 붕괴를 모두 다루며, ALP 질량이 100 MeV에서 62 GeV이고 결합 상수가 10⁻⁷ TeV⁻¹에서 1 TeV⁻¹인 범위에서 브랜치 비율 B(H→aa→4γ)에 대해 95% 신뢰수준 상한선을 설정한다. 이는 10⁻⁵에서 3×10⁻²의 범위이다.

ABSTRACT

Presented is the search for anomalous Higgs boson decays into two axion-like particles (ALPs) using the full Run 2 data set of $140\, ext {fb}^{-1}$ of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $13\, ext {TeV}$ recorded by the ATLAS experiment. The ALPs are assumed to decay into two photons, providing sensitivity to recently proposed models that could explain the $(g-2)_\mu $ discrepancy. This analysis covers an ALP mass range from 100 to $62\, ext {GeV}$ and ALP-photon couplings in the range $10^{-7}\, ext {TeV}^{-1}

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 힉스 보손이 두 개의 악시온-유사 입자(ALP)로 붕괴하는 것을 탐색하기 위해.
• ALP-광자 결합 상수와 ALP 질량의 매개변수 공간을 탐색하며, 이격된 꼬리가 있는 장수 생애 시간을 가진 ALP를 포함하기 위해.
• ALP를 통한 광자 상호작용을 통해 뮤온의 (g−2)μ 불일치를 설명하는 모델을 테스트하기 위해.
• 매우 뭉쳐진 광자와 이격된 꼬리가 있는 꼬리 구조를 포함한 서명을 통해 이전의 탐색을 초월하여 민감도를 향상시키기 위해.
• 넓은 범위의 ALP 질량과 결합 상수에 걸쳐 H→aa→4γ의 붕태 비율에 대한 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• Run 2 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 장수 생애 시간을 가진 ALP를 식별하기 위해 뭉쳐진 광자 쌍과 이격된 꼬리가 있는 꼬리 구조를 위한 전용 재구성 기법을 적용한다.
• 최종 상태 위상도에 따라 이벤트를 분류한다: 즉각적인 붕괴(충돌하는 광자), 이격된 붕괴(광점 분리), 그리고 네 개의 광자 최종 상태.
• 신호 및 배경 과정을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 이는 광자 융합 및 벡터 보손 융합 방식으로 힉스 보손 생성을 포함한다.
• 광자 쌍의 진동 질량 재구성을 통해 잠재적인 ALP 신호를 식별하고 QCD 및 전자기적 배경과를 구분한다.
• 데이터 기반 방법과 시뮬레이션을 사용하여 배경 추정을 수행하며, 광자 재구성 및 에너지 분辨도의 세밀한 모델링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 실험이 넓은 범위의 ALP 질량과 결합 상수에서 힉스 보손이 두 개의 ALP로 붕괴하고, 각각이 두 개의 광자로 붕괴하는 H→aa→4γ 과정에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ2 이격된 꼬리가 있는 장수 생애 시간을 가진 ALP 붕괴를 포함함으로써, 이전의 즉각 붕괴 전용 탐색에 비해 ALP 매개변수 공간에서의 탐색 범위는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 H→aa→4γ 붕괴 모드는 ALP-광자 상호작용을 통해 뮤온의 (g−2)μ 비일치를 설명하는 모델을 어느 정도까지 탐색할 수 있는가?
• RQ4 네 개의 광자 최종 상태에서 지배적인 배경은 무엇이며, 뭉쳐진 광자들이 존재하는 조건에서 어떻게 고정밀도로 추정되는가?
• RQ5 특히 이격된 꼬리 재구성 및 광자 에너지 캘리브레이션과 관련된 시스템적 불확실성은 H→aa→4γ 붕태 비율에 대한 최종 한계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• H→aa→4γ 탐색 채널에서 표준모형 배경을 초월하는 유의미한 초과 이벤트는 관측되지 않았다.
• ALP 질량과 결합 상수에 따라 10⁻⁵에서 3×10⁻²의 범위에서 B(H→aa→4γ)에 대해 95% 신뢰수준 상한선이 설정되었다.
• ALP 질량이 15 GeV 이상일 경우, 이전 8 TeV 데이터를 사용한 ATLAS 분석보다 약 10배 더 엄격한 한계를 확보하였다.
• 이 분석은 132 fb⁻¹의 13 TeV 데이터를 사용한 이전 CMS 분석과 유사하거나 略로 더 높은 민감도를 확보하였다.
• 이격된 꼬리 서명을 포함함으로써, 장수 생애 시간을 가진 ALP의 경우 ALP-광자 결합 상수 Cₐᵧᵧ/Λ ≈ 10⁻⁷ TeV⁻¹ 수준까지 탐색 가능하였다.
• 이 탐색은 ALP 질량 100 MeV에서 62 GeV, 그리고 결합 상수 10⁻⁷ TeV⁻¹에서 1 TeV⁻¹의 넓은 매개변수 공간을 커버하였으며, 이는 이전 제약 조건을 크게 확장하였다.