[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文利用大型强子对撞机（LHC）中WW和Zγ衰变末态的微分截面测量数据，对低质量轴子样态子（ALP）与W和Z玻色子及光子的耦合进行约束。通过分析ATLAS实验在胶胶子-胶胶子融合道中的数据，发现ALP贡献会增强二玻色子截面的高能尾部，从而比以往搜索获得更严格的ALP耦合约束，尤其在ALP衰变常数大于1 TeV时效果显著。

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.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）上搜索通过胶胶子-胶胶子融合过程产生的低质量轴子样态子（ALP）的非壳上产生过程。
• 利用WW和Zγ末态的微分截面测量，对ALP与W、Z及光子的耦合进行约束。
• 通过探测二玻色子分布的高能尾部，改进现有对ALP耦合的限制，其中ALP贡献随√ŝ增长。
• 采用有效场论框架，将ALP耦合参数化为衰变常数fa和耦合系数c˜W、c˜B、c˜G。
• 以模型无关的方式解释ATLAS数据，使结果可扩展至任意fa值。

提出的方法

• 使用线性有效场论（EFT），通过规范不变算符描述ALP与标准模型玻色子的耦合，按质量维度排序。
• 通过系数c˜W、c˜B、c˜G参数化ALP耦合，这些系数与物理耦合gagg、gaWW、gaZZ、gaγγ、gaZγ通过ALP衰变常数fa相关联。
• 分析ATLAS实验的微分截面测量数据：WW0j（36.1 fb⁻¹）、WW1j（139 fb⁻¹）和Zγ（139 fb⁻¹），所有数据均在由动量学截断定义的物理区域中。
• 将ALP贡献建模为ggF过程中的s通道交换，其中截面随∝ gagg² gaV1V2² ŝ变化，随质心系能量ŝ增加而增大。
• 应用实验修正，并将观测到的微分分布与标准模型预测进行比较，以设定ALP耦合的上限。
• 通过提取对fa的依赖关系，将结果外推至任意fa值，从而实现对fa > 1 TeV情形的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型强子对撞机（LHC）中WW和Zγ微分截面的高能尾部能否用于探测低质量轴子样态子（ALP）的非壳上产生？
• RQ2 ALP与W、Z及光子的耦合如何影响ggF道中二玻色子微分截面的形状与归一化？
• RQ3 与以往搜索相比，ALP耦合的约束有何改进，特别是在ALP衰变常数fa > 1 TeV时？
• RQ4 现有ATLAS对WW和Zγ产生的测量在有效场论（EFT）框架下，能在多大程度上排除ALP耦合？
• RQ5 采用参数化耦合的有效场论方法，能否在不假设特定产生模式的前提下，提供稳健且可扩展的ALP相互作用限制？

主要发现

• 该论文对ALP与W和Z玻色子的耦合设定了迄今为止最严格的限制，尤其在ALP衰变常数fa > 1 TeV时。
• 对于gaWW，当fa = 1 TeV时，95%置信水平（CL）的耦合强度上限约为0.015，相比以往限制提高了约2倍。
• 对于gaZγ，当fa = 1 TeV时，95%置信水平（CL）的上限约为0.012，与先前约束相比也实现了类似程度的改进。
• WW0j和WW1j的微分截面高能尾部对ALP贡献最为敏感，因为ALP介导过程随√ŝ增长，而标准模型过程则随1/ŝ衰减。
• 在Higgs-ALP混合参数caφ变化时，结果保持稳健，证实当caφ设为零时，约束对这一耦合不敏感。
• 该分析表明，微分截面测量是探测非壳上区域新物理的有力工具，尤其适用于弱耦合、低质量粒子。