[論文レビュー] Constraining off-shell production of axion-like particles with $Zγ$ and $WW$ differential cross-section measurements

S. Carrá, V. Goumarre+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるWWおよびZγ産生の微分断面積測定を用いて、低質量のaxion-like粒子（ALPs）とWおよびZボソン、光子の結合を制約している。グルーオン-グルーオン融合チャンネルにおけるATLASデータを分析することで、ALP寄与が二ボソン断面積の高エネルギー尾部を増幅させることを示し、特に1 TeV以上のALP崩壊定数に対して、従来の探索よりもきびしい制約をもたらしている。

ABSTRACT

This article describes a search for low-mass axion-like particles (ALPs) at the Large Hadron Collider (LHC). If ALPs were produced at the LHC via gluon-gluon fusion and decayed to bosons, the energy dependence of the measured diboson cross-sections would differ from the Standard Model expectation. Measurements of $WW$ and $Zγ$ differential cross-sections by the ATLAS collaboration are interpreted to constrain ALP couplings to $W$-, $Z$-bosons and photons assuming gluon-gluon-fusion production.

研究の動機と目的

• LHCにおけるグルーオン-グルーオン融合を通じた低質量axion-like粒子（ALPs）のオフシェル生産を探索すること。
• WWおよびZγ最終状態の微分断面積測定を用いて、ALPがW、Z、および光子と結合する係数を制約すること。
• ALP寄与が√ŝに比例して増大する高エネルギー尾部を探索することで、既存のALP結合の制限を改善すること。
• ALP結合を崩壊定数faおよび結合係数c˜W、c˜B、c˜Gでパラメータ化した有効場理論フレームワークを適用すること。
• モデルに依存しない方法でATLASデータを解釈し、任意のfa値へのスケーリングを可能にすること。

提案手法

• ゲージ不変なオペレーターを用いた線形有効場理論（EFT）を用い、SMボソンへのALP結合を質量次元で順序付けた形で記述する。
• ALP結合を係数c˜W、c˜B、c˜Gでパラメータライズし、これらはALP崩壊定数faを介して物理的結合gagg、gaWW、gaZZ、gaγγ、gaZγと関係する。
• ATLASの微分断面積測定（WW0j：36.1 fb⁻¹、WW1j：139 fb⁻¹、Zγ：139 fb⁻¹）を分析し、運動的カットで定義されたフィducial領域内での測定値を用いる。
• ALP寄与をggFにおけるsチャネル交換としてモデル化し、断面積がgagg² gaV1V2² ŝに比例し、中心系エネルギー√ŝとともに増加することを示す。
• 実験的補正を適用し、観測された微分分布を標準模型（SM）予測と比較することで、ALP結合に対する上限を設定する。
• fa依存性を外挙することで、任意のfaに対して結果をスケーリング可能にし、特にfa > 1 TeVの範囲での制約を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるWWおよびZγの微分断面積の高エネルギー尾部は、低質量axion-like粒子のオフシェル生産を探索するのに有効か？
• RQ2 ALPがW、Z、および光子と結合する際、ggFチャンネルにおける二ボソン微分断面積の形状および正規化にどのような影響を与えるか？
• RQ3 特にALP崩壊定数が1 TeV以上の範囲で、従来の探索に比べてALP結合の制限はどのように改善されているか？
• RQ4 既存のATLAS測定（WWおよびZγ産生）は、EFTフレームワークにおいてALP結合をどの程度排除できるか？
• RQ5 パラメータ化された結合を用いたEFTアプローチは、特定の生成モードを仮定せずに、ALP相互作用に対する強固でスケーラブルな制限を提供できるか？

主な発見

• 本論文は、ALPがWおよびZボソンと結合する係数について、これまでで最もきびしい制限を設定した。特にALP崩壊定数fa > 1 TeVの範囲で顕著である。
• gaWWに対しては、95%信頼水準（CL）での結合強度上限がfa = 1 TeVで約0.015に達し、従来の制限を約2倍改善した。
• gaZγに対しては、95% CLでの上限がfa = 1 TeVで約0.012であり、類似した改善が得られた。
• WW0jおよびWW1jの微分断面積の高エネルギー尾部が、ALP寄与に対して最も感受性が高く、ALP媒介過程は√ŝに比例して増大するが、SM過程は1/ŝに比例して減少するためである。
• ヒッグス-ALP混合パrameter caφの変動に対しても制限は安定しており、この結合をゼロに設定した場合でも制限が敏感でないことが確認された。
• 微分断面積測定が、弱く結合する低質量粒子のオフシェル領域における新物理の強力なプローブであることが示された。