[論文レビュー] LHCb future dark-sector sensitivity projections for Snowmass 2021

D. C. Craik, Phil Ilten+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCb実験のダークセクター粒子に対する未来の感度を予測し、ダークフォトンやヒッグスポータルの最新制限を更新するとともに、グルーオンに結合するアキソン様粒子（ALPs）についても新たな予測を提示する。ペンギン過程を用い、特にRun 3以降の包括的ディエレクトロン選択の向上したトリガー能力を組み込むことで、LHCbは特に0.3–3.0 GeVのALP質量範囲で顕著な向上が見込まれ、現在の制約を超える発見可能性を有する可能性がある。

ABSTRACT

We provide future LHCb dark-sector sensitivity projections for use in the Snowmass reports. These include updated projections for dark photons and the Higgs portal, along with new projections for axion-like particles that couple predominantly to gluons.

研究の動機と目的

• LHCbの未来のダークセクター探索における最新の感度予測と、グルーオンに結合するアキソン様粒子（ALPs）を含む新たな感度予測を提供すること。
• 特に高レベルトリガー（HLT）における電子識別機能の導入を含め、LHCbのトリガー系の最新進展を反映し、二重ミュオン閾値未満の包括的$A' \to e^+e^-$探索を可能にする。
• 長寿命粒子の強い寿命依存性と更新されたハドロン的結合モデルを組み込むことで、過去の予測を改善すること。
• 背景推定と効率スケーリングを考慮した、$a \to \eta\pi^+\pi^-$および$a \to \pi^+\pi^-\gamma$のようなハドロン崩壊を通じたALP感度の向上を予測すること。
• 実験間比較のための公平な基準を確保するため、ペンギン計算とUV物理学における標準化された仮定の重要性を強調し、Snowmassプロセス中に合意形成を呼びかけること。

提案手法

• Batellら（2011）の1ループペンギン振幅計算を活用し、UVスケール依存性を$\log{(\Lambda_{\rm UV}^2/m_t^2)} \pm \mathcal{O}(1) \to 1$としてモデル化し、Aloni ら（2019）と整合させる。
• GPUベースのAllen HLTアプリケーションとRun 3以降の電子識別機能を活用し、包括的$A' \to e^+e^-$崩壊によるダークフォトンの感度予測を実施。
• Fr据ええて、$B \to K^{(*)}\chi(\mu^+\mu^-)$と新しい最終状態$B \to K^{(*)}\chi(\pi^+\pi^-)$および$B \to K^{(*)}\chi(K^+K^-)$を用い、Higgsポータル感度を更新。ハドロン的結合はFradetteとPospelov（2017）の結果を採用。
• ALP感度の予測には、$B \to K^{*}a(\pi^+\pi^{-}\{\eta,\pi^0,\gamma\})$崩壊を想定し、1光子あたり50％の効率とし、Run 1の$B^\pm \to K^\pm \eta'(\pi^+\pi^-\gamma)$データから背景推定をスケーリング。
• Run 6では、1つの狭い質量ウィンドウあたり約100万件の保守的背景推定を実施し、Run 1の収量をスケーリング。組み合わせ的背景には強い質量依存性がないと仮定。
• 長寿命ALPの感度を予測するにあたり、変位に基づく背景低減を無視し、感度が最も制限されるプロンプト崩壊領域に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbの未来のトリガー向上、特にHLTにおける電子識別機能の導入により、低質量ダークフォトンの感度はどの程度向上するか？
• RQ2 LHCbの頂点分解能の寿命依存性が、長寿命ヒッグスポータルスカラーおよびALPsの感度に及ぼす制限はどの程度か？
• RQ3 グルーオンに主に結合するアキソン様粒子（ALPs）の感度は、0.3–3.0 GeVの質量範囲でどの程度の水準に達するか？
• RQ4 背景推定と再構成効率は、光子およびパイオンを含むALP崩壊の発見可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 実験間比較のための公平な比較を実現するには、ペンギン振幅計算とUV物理学におけるどのような仮定が必要か？

主な発見

• LHCbは、Run 3およびRun 6において、包括的$A' \to e^+e^-$崩壊を通じてダークフォトンに対して顕著な感度を達成すると予測され、性能は光度や背景ではなく、バーテックス検出器（VELO）の分解能によって制限される。
• HLTにおける電子識別機能の導入により、二重ミュオン閾値から下限まで連続的な感度予測が可能となり、過去のトリガー制限を凌駆する。
• ヒッグスポータルスカラーに関しては、長寿命$\chi$崩壊へのアクセスにより、高エネルギー領域で感度が著しく向上する。これは背景が存在せず、Run 1では到達不可能だった。
• グルーオンに結合するALPsの新たな感度予測では、LHCbが$a \to \eta\pi^+\pi^-$および$a \to \pi^+\pi^-\gamma$崩壊モードを0.3–3.0 GeVの範囲で探査可能であり、$\mathcal{O}(10^{-8})$程度の結合定数まで感度を達成する可能性がある。
• Run 6におけるALP探索の背景推定は、保守的に1つの狭い質量ウィンドウあたり約100万件と設定されており、これはRun 1のデータをスケーリングした結果であるが、今後の分析でさらに低減可能と予想される。
• ALPsの感度は、0.3–3.0 GeVの範囲で、他の実験による既存の制約を上回る。特に$a \to \pi^+\pi^-\gamma$および$a \to \eta\pi^+\pi^-$モードでは、LHCbがダークセクターにおいて主要な発見可能性を有する可能性がある。