[论文解读] Search for long-lived particles decaying to a pair of muons in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2383 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验在√s = 13 TeV下收集的97.6 fb⁻¹数据，对质子-质子碰撞中长寿命粒子（LLP）衰变为一对μ子的过程进行了搜索。该研究对隐藏阿贝尔希格斯模型中希格斯玻色子分支宽度至暗光子（ZD）的限制达到了迄今为止最敏感的水平，覆盖cτ(ZD)从0.03 mm到数米的范围，同时为质量大于10 GeV的LLP通过来自奇异标量玻色子的衰变产生二μ子末态提供了最严格的约束。

ABSTRACT

An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb$^{-1}$. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundred $\mu$m to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons Z$_\mathrm{D}$, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model with $m_\mathrm{Z_D}$ greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons for $c au$(Z$_\mathrm{D}$) (varying with $m_\mathrm{Z_D}$) between 0.03 and ${\approx}$0.5 mm, and above ${\approx}$0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索长寿命的奇异粒子衰变为一对反号μ子。
• 在隐藏阿贝尔希格斯模型中，对希格斯玻色子衰变为长寿命暗光子（ZD）的分支宽度设定改进的约束。
• 为质量大于10 GeV的长寿命粒子通过来自奇异重中性标量玻色子的衰变产生二μ子末态，建立迄今为止最严格的限制。
• 将对位移二μ子事例的敏感度扩展至从数百微米到数米的广泛衰变长度范围。
• 为分析中未明确考虑的模型提供重解释框架。

提出的方法

• 利用CMS探测器在2016年和2018年于√s = 13 TeV下收集的97.6 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用最小事件选择标准，以最大化对广泛LLP模型衰变为二μ子的敏感度。
• 通过追踪和μ子系统重建识别位移的二μ子顶点，其二次顶点与初始相互作用点在空间上分离。
• 采用先进的背景估计技术，包括数据驱动方法和基于模拟的建模。
• 使用蒙特卡洛模拟对信号过程进行建模，包括隐藏阿贝尔希格斯模型和包含奇异标量衰变的简化模型。
• 对信号效率和背景估计应用系统误差修正，并通过控制区域进行详细验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在隐藏阿贝尔希格斯模型中，希格斯玻色子分支宽度至长寿命暗光子（ZD）的最严格限制是什么？
• RQ2 CMS实验对质量大于10 GeV的长寿命粒子通过奇异重中性标量玻色子衰变为一对μ子的敏感度如何？
• RQ3 该搜索对衰变长度从数百微米到数米的LLP衰变的敏感度如何？
• RQ4 与√s = 8 TeV下的先前搜索以及13 TeV下ATLAS实验的结果相比，本研究结果如何？
• RQ5 本研究结果在分析中未明确考虑的模型中可被重解释的程度如何？

主要发现

• 本研究对cτ(ZD)在0.03 mm至≈0.5 mm之间，以及超过≈0.5 m的范围，设定了迄今为止对希格斯玻色子分支宽度至暗光子（ZD）最敏感的限制。
• 对于m(ZD) > 20 GeV且m(ZD) < m(H)/2的情况，结果在广泛衰变长度范围内优于先前的约束。
• 本分析为质量大于10 GeV的长寿命粒子通过比希格斯玻色子更重的奇异标量玻色子衰变为一对μ子末态，提供了迄今为止最严格的约束。
• 敏感度覆盖从几百度微米到数米的二次顶点位移，涵盖广泛的LLP寿命范围。
• 结果已公开发布于HEPData，可供在两种基准框架之外的多种新物理模型中进行重解释。
• 由于亮度提高、质心系能量提升以及选择和背景估计技术的优化，本分析相比之前的CMS Run 1搜索展现出更高的敏感度。