[论文解读] Observation of the $\gamma\gamma o au au$ process in Pb+Pb collisions and constraints on the $ au$-lepton anomalous magnetic moment with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 78被引用 6

一句话总结

本论文首次报告了在 $√{s_{NN}} = 5.02$ TeV 的 Pb+Pb 超外围碰撞中利用 ATLAS 探测器观测到 $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 对产生过程。基于 1.44 nb$^{-1}$ 的数据，以 95% 置信水平测量了 $\tau$-轻子反常磁矩为 $-0.057 < a_\tau < 0.024$，提供了迄今为止最精确的 LHC 约束，并开启了一条通过强子对撞机探测手段检验标准模型和新物理的新途径，新物理贡献与轻子质量的平方成正比。

ABSTRACT

This Letter reports the observation of $τ$-lepton-pair production in ultraperipheral lead-lead collisions Pb+Pb→Pb($γγ→ττ$)Pb and constraints on the $τ$-lepton anomalous magnetic moment $a_τ$. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 1.44 nb$^{-1}$ of LHC Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV recorded by the ATLAS experiment in 2018. Selected events contain one muon from a $τ$-lepton decay, an electron or charged-particle track(s) from the other $τ$-lepton decay, little additional central-detector activity, and no forward neutrons. The $γγ→ττ$ process is observed in Pb+Pb collisions with a significance exceeding 5 standard deviations and a signal strength of $μττ$=1.03-0.05+0.06 assuming the standard model value for $a_τ$. To measure aτ, a template fit to the muon transverse-momentum distribution from $τ$-lepton candidates is performed, using a dimuon $(γγ→μμ)$ control sample to constrain systematic uncertainties. The observed 95% confidence-level interval for $a_τ$ is -0.057&lt;$a_τ$&lt;0.024.

研究动机与目标

• 在 LHC 的超外围 Pb+Pb 碰撞中观测 $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 过程。
• 利用强子对撞机数据高精度测量 $\tau$-轻子反常磁矩 $a_\tau$。
• 检验标准模型对 $a_\tau$ 的预测，并探测与轻子质量平方成正比的新物理贡献。
• 通过重离子碰撞环境克服 $\tau$-轻子衰变中强子衰变和中微子不可见性带来的实验挑战。

提出的方法

• 利用 ATLAS 实验于 2018 年采集的 $√{s_{NN}} = 5.02$ TeV 下的 1.44 nb$^{-1}$ Pb+Pb 数据。
• 识别事件中一个来自 $\tau \to \mu\nu\nu$ 衰变的缪子，以及另一个 $\tau$-轻子衰变产生的电子或一个/三个带电轨迹，且中央活动性最小，无前向中子。
• 对缪子横向动量分布应用模板拟合，利用双缪子 ($\gamma\gamma \to \mu\mu$) 控制样本约束系统误差。
• 实施严格的选择标准：仅一个缪子、电荷和为零、顶点簇和非共面性剔除，以及基于 $\Delta R$ 的隔离，以抑制 $\gamma\gamma \to \mu\mu$ 和光致核反应背景。
• 使用 Starlight 2.0 进行 $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 和 $\gamma\gamma \to \mu\mu$ 的蒙特卡洛模拟，通过 Tauola 处理由 $\tau$ 衰变，通过 Pythia 8/Photos++ 处理由末态辐射。
• 利用 Superchic 3.05 对光子通量分布进行重加权，以提高双轻子不变质量和快度模拟的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在 LHC 的 Pb+Pb 超外围碰撞中观测到 $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 过程？
• RQ2 利用重离子数据在 LHC 上可实现的 $\tau$-轻子反常磁矩 $a_\tau$ 最精确测量值是多少？
• RQ3 在高亮度环境中，$\gamma\gamma \to \mu\mu$ 和光致核反应等实验背景如何影响 $\tau\tau$ 信号重建？
• RQ4 尽管存在中微子不可见性和复杂末态，是否可在重离子碰撞中有效重建 $\tau$ 轻子的强子衰变模式？

主要发现

• 在 Pb+Pb 碰撞中观测到 $\gamma\gamma \to \tau\tau$ 过程，显著性超过 5 个标准差。
• 信号强度测量为 $\mu_{\tau\tau} = 1.03^{+0.06}_{-0.05}$，与假设 $a_\tau = 0.00117721$ 的标准模型预测一致。
• 以 95% 置信水平，$\tau$-轻子反常磁矩的区间被约束在 $-0.057 < a_\tau < 0.024$，代表迄今为止最精确的单实验 LHC 测量结果。
• 该测量利用了 Pb+Pb 碰撞中增强的 $Z^4$-增强光子通量，相比 $pp$ 碰撞为 $\gamma\gamma$ 诱导过程提供了更清洁的环境。
• 使用双缪子控制样本有效约束了 $a_\tau$ 提取中的系统误差，特别是探测器响应和重建效率方面的误差。
• 该研究证明了利用超外围重离子碰撞探测轻子反常磁矩的可行性，为储存环实验提供了一种互补的探测方法。