[论文解读] Identifying Exclusive Displaced Hadronic Signatures in the Forward Region of the LHC

X. Cid Vidal, Yuhsin Tsai+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 61被引用 4

一句话总结

该论文在LHCb实验中提出了一种新颖的独家搜索方法，针对来自奇异Higgs玻色子衰变（h → SS）的长寿命轻标量粒子（S）衰变为位移的kaon（S → K⁺K⁻）的信号，利用LHCb在强子识别和顶点重建方面的优势。该方法在15（300）fb⁻¹数据下可实现对BR(h → SS)低至0.1%（0.02%）的灵敏度，优于ATLAS/CMS在GeV量级质量与毫米级衰变长度区域的包容式位移喷注搜索。

ABSTRACT

The LHCb detector provides accurate vertex reconstruction and hadronic particle identification, which make the experiment an ideal place to look for light long-lived particles (LLP) decaying into Standard Model (SM) hadrons. In contrast with the typical search strategy relying on energetic jets and a high multiplicity of tracks from the LLP decay, LHCb can identify LLPs in exclusive, specific hadronic final states. To illustrate the idea, we study the sensitivity of LHCb to an exotic Higgs decay $h o SS$, followed by the displaced decay of GeV-scale scalars into charged kaons $S o K^+K^-$. We show that the reconstruction of kaon vertices in narrow invariant mass windows can efficiently eliminate the combinatorial backgrounds from $B$-meson decays. While the same signal is extremely difficult to probe in the existing displaced jet searches at ATLAS/CMS, the LHCb search we propose can probe the branching ratio BR$(h o SS)$ down to $0.1\%$ ($0.02\%$) level with $15$ ($300$) fb$^{-1}$ of data. We also apply this projected bound to two scenarios with Higgs portal couplings, where the scalar mediator $S$ either couples to a) the SM quarks only, or b) to both quarks and leptons in the minimal flavor violation paradigm. In both scenarios we compare the reach of our proposed search with the expected constraints from ATLAS and CMS on the invisible Higgs width and with the constraints from rare B-decays studies at LHCb. We find that for 1 GeV $< m_S < $ 2 GeV and $0.5~{ m mm} \lesssim c τ\lesssim 10$ mm our proposed search will be competitive with the ATLAS and CMS projections, while at the same time providing crucial information of the hadronic interactions of $S$, which can not be obtained from the {\it indirect} measurement of the Higgs invisible width.

研究动机与目标

• 为解决ATLAS/CMS的包容式位移喷注搜索无法探测具有GeV量级质量和毫米级衰变长度的轻型长寿命粒子（LLPs）的挑战。
• 利用LHCb在强子粒子识别和顶点重建方面的优势，实现对位移强子末态（如S → K⁺K⁻）的独家重建。
• 为Higgs门户模型中轻标量媒介子S的强子耦合提供直接、模型无关的约束，补充来自隐形Higgs宽度和稀有B介子衰变的间接约束。
• 证明LHCb可在ATLAS/CMS包容式搜索失效的参数区域探测到低质量、低能量的LLP衰变，特别是针对此类衰变。
• 推动未来在LHCb中针对独家位移强子衰变（尤其是强子亲和或味结构媒介子）的专门分析。

提出的方法

• 提出在LHCb前向区域采用独家搜索策略，聚焦于h → SS衰变后产生的S → K⁺K⁻位移强子顶点。
• 在kaon对的不变质量窗口内使用窄带窗口，以抑制来自B介子衰变的组合背景。
• 利用LHCb的RICH探测器实现高效率的强子粒子识别，以及利用VELO实现精确的顶点重建。
• 通过蒙特卡罗模拟估算信号接受度和背景抑制效率，适用于m_S = 1–2 GeV和cτ_S ≈ 0.5–10 mm的情况。
• 将投影灵敏度与ATLAS/CMS的隐形Higgs宽度测量结果以及LHCb中稀有B衰变研究的现有约束进行比较。
• 应用亮度缩放，投影15和300 fb⁻¹积分亮度下的灵敏度，假设信号模型具有Higgs门户耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb能否在ATLAS/CMS的包容式搜索失效的情况下，对具有轻型、长寿命标量粒子衰变为强子的奇异Higgs衰变h → SS实现具有竞争力的灵敏度？
• RQ2 对位移K⁺K⁻末态的独家重建在前向区域在多大程度上能有效抑制来自B介子衰变的QCD背景？
• RQ3 LHCb独家搜索的投影灵敏度与来自隐形Higgs宽度和稀有B衰变的间接约束相比如何？
• RQ4 在何种参数空间（m_S, cτ_S, 耦合结构）中，LHCb独家搜索能对轻标量媒介子提供最紧的约束？
• RQ5 独家强子末态（如S → K⁺K⁻）能否提供间接测量无法获得的关于S强子耦合的唯一信息？

主要发现

• 在15 fb⁻¹数据下，LHCb可将BR(h → SS)的探测灵敏度提升至0.1%（对应m_S = 1–2 GeV，cτ_S ≈ 1 mm），显著优于现有包容式搜索。
• 在300 fb⁻¹数据下，灵敏度进一步提升至0.02% BR(h → SS)，与相同亮度下ATLAS/CMS的投影界限相当或更优。
• 对于强子亲和（轻子排斥）的S，该搜索在关注的参数空间中设定了最紧的约束，推动了LHCb中专门分析的发展。
• 在Higgs样耦合情形下，该搜索为S的μ子耦合提供了互补信息，探测区域比间接约束高出5–10倍的耦合强度。
• 通过不变质量窗口化，独家K⁺K⁻重建能高效抑制来自B介子衰变的组合背景。
• 该方法具有鲁棒性且可扩展至其他独家强子末态（如D介子、π介子或重子），为轻型LLP搜索提供了一般性策略。