[论文解读] Search for displaced photons produced in exotic decays of the Higgs boson using 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用 1

一句话总结

本研究利用ATLAS Run 2期间13 TeV质子-质子对撞的139 fb⁻¹数据，搜索来自奇异Higgs玻色子衰变至长寿命中性粒子（NLSP）的位移光子。未观测到显著过量；对H → NLSP NLSP的分支比设定了限制，对于中等NLSP寿命和较大质量差的情况，最严格约束为<1%（假设100%分支至γ + LSP）。

ABSTRACT

A search is performed for delayed and nonpointing photons originating from the displaced decay of a neutral long-lived particle (LLP). The analysis uses the full Run 2 data set of proton-proton collisions delivered by the LHC at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV between 2015 and 2018 and recorded by the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The capabilities of the ATLAS electromagnetic calorimeter are exploited to precisely measure the arrival times and trajectories of photons. The results are interpreted in a scenario where the LLPs are pair-produced in exotic decays of the 125 GeV Higgs boson, and each LLP subsequently decays into a photon and a particle that escapes direct detection, giving rise to missing transverse momentum. No significant excess is observed above the expectation due to Standard Model background processes. The results are used to set upper limits on the branching ratio of the exotic decay of the Higgs boson. A model-independent limit is also set on the production of photons with large values of displacement and time delay.

研究动机与目标

• 搜索125 GeV Higgs玻色子衰变至一对长寿命中性粒子（NLSP）的奇异衰变模式，这些NLSP随后衰变为光子和隐形粒子。
• 探测具有位移、非指向光子的模型，特别是在规范介导的超对称性破缺（GMSB）背景下，NLSP衰变为光子和引力子LSP的情形。
• 对具有大位移和时间延迟的光子产生设定模型无关的限制，减少对特定新物理场景的依赖。
• 通过利用ATLAS液态氩电磁量能器的精确时间与指向测量，提升对长寿命粒子的探测灵敏度。

提出的方法

• 使用2015–2018年期间ATLAS完整Run 2数据集，共计139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子对撞数据，事件触发基于与Z、W或顶夸克产生相关的轻子。
• 利用ATLAS LAr电磁量能器对光子到达时间（tγ）和轨迹（指向性）进行精确测量，以识别位移的、非指向的光子。
• 应用基于时间延迟（1.5 < tγ < 12 ns）和横向位移（|Δzγ| > 300 mm）的选择标准，以分离潜在的长寿命粒子衰变事件。
• 使用数据驱动的控制样本对prompt背景进行建模，并通过仅含背景的拟合估计预期事例数。
• 在NLSP质量（30–60 GeV）与质量差（低于NLSP质量最多10 GeV）的二维扫描中进行分析，假设B(NLSP → LSP + γ) = 100%。
• 结合单光子与多光子末态的结果，以增强灵敏度，并在95%置信水平下对可见截面设定模型无关的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在每个NLSP衰变为光子与隐形LSP的假设下，Higgs玻色子衰变为一对长寿命中性粒子（NLSP）的分支比上限是多少？
• RQ2 ATLAS探测器对具有大时间延迟（1.5–12 ns）和空间位移（>300 mm）的光子的探测灵敏度如何？
• RQ3 对具有大位移和时间延迟的位移光子产生的模型无关限制是什么？这些限制独立于特定的新物理粒子模型。
• RQ4 LAr量能器提供的时间与指向测量如何提升在Higgs玻色子奇异衰变中对长寿命粒子衰变的探测灵敏度？

主要发现

• 在所有信号区域中，未观测到超过标准模型背景预期的显著过量，观测事例数（4起）与预期背景产量（4.1 ± 1.7起）一致。
• 对BFS信号的可见截面，模型无关上限分别为1γ通道0.042 fb，≥2γ通道0.022 fb，均在95%置信水平下。
• 在1γ与≥2γ通道合并后，可见截面的95%置信水平上限为0.041 fb，对应于H → NLSP NLSP分支比上限低于1%（在最严格区域）。
• 对B(H → NLSP NLSP)的最严格限制出现在NLSP质量接近60 GeV、质量差约10 GeV时，对于1至10 ns的寿命，分支比均低于1%。
• 在选择后，信号事件的重建效率在所考虑的信号区域中约为5%。
• 本分析首次设定了具有大位移和时间延迟的位移光子产生的模型无关限制，其探测范围超越了特定SUSY模型。