[论文解读] Search for an axion-like particle with forward proton scattering in association with photon pairs at ATLAS

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2963 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用ATLAS探测器及其前向质子谱仪，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，通过光-光散射寻找轴子样粒子（ALPs）。未观测到显著过量；在150–1600 GeV质量范围内，ALP耦合常数的95%置信水平上限为0.04–0.09 TeV⁻¹。

ABSTRACT

A search for forward proton scattering in association with light-by-light scattering mediated by an axion-like particle is presented, using the ATLAS Forward Proton spectrometer to detect scattered protons and the central ATLAS detector to detect pairs of outgoing photons. Proton-proton collision data recorded in 2017 at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV were analysed, corresponding to an integrated luminosity of 14.6 fb$^{-1}$. A total of 441 candidate signal events were selected. A search was made for a narrow resonance in the diphoton mass distribution, corresponding to an axion-like particle (ALP) with mass in the range 150-1600 GeV. No excess is observed above a smooth background. Upper limits on the production cross section of a narrow resonance are set as a function of the mass, and are interpreted as upper limits on the ALP production coupling constant, assuming 100% decay branching ratio into a photon pair. The inferred upper limit on the coupling constant is in the range 0.04-0.09 TeV$^{-1}$ at 95%confidence level.

研究动机与目标

• 通过轴子样粒子（ALPs）介导的光-光散射，在二胶子末态中搜索窄宽度共振态。
• 利用前向质子标记提高对ALP与光子耦合的探测灵敏度。
• 与以往的包容性二胶子末态分析相比，将ALP搜索的覆盖质量范围扩展至更高质量（150–1600 GeV）。
• 通过要求至少一个标记的质子，实现背景抑制，增强对独显过程和单 dissociative 过程的选择性。

提出的方法

• 利用ATLAS在2017年采集的14.6 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 采用ATLAS前向质子（AFP）谱仪探测前向散射质子，以标记独显和单 dissociative 过程。
• 在中央ATLAS探测器中分析二胶子末态，要求两个高横向动量胶子，其不变质量在150–1600 GeV之间。
• 应用运动学和拓扑选择标准，以抑制QCD和辐射诱导的背景。
• 在二胶子质量分布中执行共振态搜索，以识别与ALP产生一致的窄峰。
• 对ALP产生截面设定上限，并在γγ分支比为100%的假设下，将其解释为ALP-光子耦合常数的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在150–1600 GeV范围内，二胶子质量谱中是否出现与光-光散射介导的ALP产生一致的窄共振峰？
• RQ2 前向质子标记能否提升在pp碰撞中对独显和单 dissociative ALP 产生的探测灵敏度？
• RQ3 在150至1600 GeV质量范围内，ALP-光子耦合常数的上限是多少？
• RQ4 与以往搜索相比，本研究在质量覆盖范围和背景抑制方面表现如何？

主要发现

• 在150–1600 GeV范围内，二胶子质量分布中未观测到显著超过平滑背景的过量。
• 根据质量设定ALP产生截面的上限，其中最严格的限制出现在约150 GeV附近。
• 在150–1600 GeV质量范围内，ALP-光子耦合常数的95%置信水平上限为0.04至0.09 TeV⁻¹。
• 由于包含单 dissociative 过程，本分析的实验接受度高于纯双标记方法。
• 与以往的包容性二胶子搜索相比，本研究在高质质量区段提高了对ALP的排除限。
• 本研究证明了前向质子标记在高能pp碰撞中探测ALP耦合的可行性。