[论文解读] Search for boosted diphoton resonances in the 10 to 70 GeV mass range using 138 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞数据中（138 fb⁻¹）对10–70 GeV质量范围内的强子衰变双光子共振态进行了搜索。通过选择高横动量（pT > 50 GeV）且空间接近的光子对以抑制背景，并采用高斯过程平滑方法对背景形状进行建模，该研究在该质量范围内设定了迄今为止最严格的、针对胶子和光子耦合的即时衰变轴子样粒子（ALPs）的限制，未发现显著过量。

ABSTRACT

A search for diphoton resonances in the mass range between 10 and 70 GeV with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The analysis is based on $pp$ collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded from 2015 to 2018. Previous searches for diphoton resonances at the LHC have explored masses down to 65 GeV, finding no evidence of new particles. This search exploits the particular kinematics of events with pairs of closely spaced photons reconstructed in the detector, allowing examination of invariant masses down to 10 GeV. The presented strategy covers a region previously unexplored at hadron colliders because of the experimental challenges of recording low-energy photons and estimating the backgrounds. No significant excess is observed and the reported limits provide the strongest bound on promptly decaying axion-like particles coupling to gluons and photons for masses between 10 and 70 GeV.

研究动机与目标

• 为了将LHC双光子共振态搜索的探测范围扩展至此前65 GeV的阈值以下，目标是探测轻新物理现象，如轴子样粒子（ALPs）。
• 为克服在10–70 GeV范围内探测低能光子及精确建模背景的实验挑战。
• 通过选择空间接近且具有高双光子横动量（pT > 50 GeV）的事件，提高灵敏度，从而使背景形状趋于平坦化。
• 在10–70 GeV范围内，对宽度窄的共振态衰变为双光子的产生截面乘以分支比设置最严格的限制。
• 将观测到的限制重新参数化至ALP参数空间，约束胶子和光子耦合的ALP质量与衰变常数。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS探测器在2015至2018年间收集的138 fb⁻¹的13 TeV质子-质子对撞数据。
• 基于空间接近且横动量大于50 GeV的光子对对事件进行选择，以增强对低质量共振态的探测灵敏度。
• 采用解析函数构建背景模型，并对双光子不变质量谱进行拟合，通过在模拟背景样本上应用高斯过程来减轻不确定性。
• 通过联合拟合信号与背景成分的似然函数，提取对信号强度的限制。
• 通过动量选择使背景形状趋于平坦，减少对复杂函数形式的依赖，提升拟合稳定性。
• 将σfid × B(X → γγ)的限制作为共振态质量的函数进行设定，并利用胶子与光子耦合关系将结果重新参数化至ALP参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验能否在65 GeV以下的范围内设定新的双光子共振态限制，从而克服此前因背景建模困难和低能光子探测能力不足而造成的限制？
• RQ2 选择空间接近且高pT的光子对在抑制背景并提升低质量双光子通道灵敏度方面效果如何？
• RQ3 高斯过程平滑在双光子不变质量谱的背景建模中能多大程度上提升鲁棒性？
• RQ4 对质量在10至70 GeV之间、即时衰变为双光子的轴子样粒子，最强的约束是什么？
• RQ5 在10–70 GeV范围内，观测到的限制与胶子和光子耦合的ALP理论预期相比如何？

主要发现

• 在10–70 GeV范围内，双光子不变质量谱中未观测到显著过量，表明未发现新共振态的证据。
• 本分析在10–70 GeV质量范围内设定了迄今为止最严格的、针对即时衰变共振态的产生截面乘以分支比的实验限制。
• 对胶子和光子耦合的轴子样粒子的限制显著提升，尤其在10–30 GeV质量区域。
• 采用高斯过程平滑显著降低了背景建模中的系统不确定性，增强了限制结果的鲁棒性。
• 通过要求双光子横动量大于50 GeV，成功地使背景形状趋于平坦，从而实现了精确的解析建模。
• 本研究将LHC的探测能力拓展至此前未探索的双光子共振态搜索区域，覆盖了大量涉及轻质、窄宽度共振态的新物理场景。