[论文解读] Search for light long-lived neutral particles that decay to collimated pairs of leptons or light hadrons in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2904 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文报告了在 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，利用 ATLAS 探测器对 139 fb⁻¹ 数据的分析，寻找通过希格斯玻色子衰变产生的轻型长寿命中性粒子——具体为暗光子。通过位移喷注重建与机器学习技术，设定了新的排除极限，排除了在 95% 置信水平下，平均寿命在 10 mm 至 250 mm 之间、暗光子质量为 0.4 至 2 GeV 时，希格斯玻色子分支比高于 1% 的情况。

ABSTRACT

A search for light long-lived neutral particles with masses in the $O$(MeV-GeV) range is presented. The analysis targets the production of long-lived dark photons in the decay of a Higgs boson produced via gluon-gluon fusion or in association with a $W$ boson. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are selected in 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the LHC. Background estimates for contributions from Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are consistent with the expected background. Exclusion limits are reported on the production cross-section times branching fraction as a function of the mean proper decay length $cτ$ of the dark photon, or as a function of the dark-photon mass and kinetic mixing parameter that quantifies the coupling between the Standard Model and potential hidden (dark) sectors. A Higgs boson branching fraction above 1% is excluded at 95% CL for a Higgs boson decaying into two dark photons for dark-photon mean proper decay lengths between 10 mm and 250 mm and dark photons with masses between 0.4 GeV and 2 GeV.

研究动机与目标

• 寻找衰变为喷聚轻子对或轻强子对的轻型长寿命中性粒子，具体为暗光子。
• 研究通过希格斯门道（Higgs portal）使希格斯玻色子衰变为两个暗光子，且暗光子通过与标准模型光子的动能混合发生衰变的场景。
• 利用更新的分析技术与更高亮度的数据，提升对具有宏观衰变长度（10–250 mm）的长寿命粒子的探测灵敏度。
• 根据暗光子质量与平均固有衰变长度，设定希格斯玻色子衰变为两个暗光子的分支比的排除极限。

提出的方法

• 分析使用了 ATLAS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 139 fb⁻¹ pp 碰撞数据。
• 采用两种搜索类别：胶子-胶子融合与 WH 伴随产生，分别针对不同的希格斯玻色子产生模式。
• 利用电磁量能器与μ子光谱仪数据重建位移喷注（暗光子喷注），重点关注喷聚末态。
• 采用多变量技术，包括对 3D 电磁量能器能量沉积进行卷积神经网络分析，以及对 μ 子轨迹使用密集神经网络，以提升信号灵敏度。
• 标准模型过程与仪器效应引起的背景，均来自数据，而非模拟。
• 分析在两种模型中进行解释：FRVZ 模型（通过暗费米子衰变）与 HAHM 模型（希格斯玻色子直接衰变为两个暗光子），并为两者均推导出排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS 探测器对质量在 0.4 至 2 GeV 之间、平均固有衰变长度在 10 至 250 mm 之间的长寿命暗光子的探测灵敏度如何？
• RQ2 ATLAS 实验能否在特定暗光子参数下，排除希格斯玻色子分支比高于 1% 衰变为两个暗光子的情况？
• RQ3 与以往搜索相比，位移喷注重建与机器学习技术如何提升对长寿命粒子的探测灵敏度？
• RQ4 对质量大于 10 MeV、寿命在 10–250 mm 范围内的暗光子，其动能混合参数 𝜖 的约束是什么？
• RQ5 本结果与以往搜索及其他来自对撞机、束流打靶与天体物理数据的实验约束相比如何？

主要发现

• 在 95% 置信水平下，排除了暗光子质量在 0.4 GeV 至 2 GeV 范围内，希格斯玻色子分支比高于 1% 衰变为两个暗光子的情况。
• 设定了平均固有衰变长度在 10 mm 至 250 mm 之间的排除极限，覆盖了长寿命暗光子参数空间的显著区域。
• 由于亮度提高（139 fb⁻¹ 对比 36.1 fb⁻¹）与重建技术改进，本分析的灵敏度高于以往的 ATLAS 搜索。
• 背景估计基于数据，减少了对模拟的依赖，增强了结果的稳健性。
• 该搜索对动能混合参数 𝜖 < 10⁻⁵ 的暗光子敏感，对应宏观衰变长度。
• 未观测到显著超出背景的信号，所有信号区域均与标准模型预测一致。