[论文解读] Search for short- and long-lived axion-like particles in $H ightarrow a a ightarrow 4\gamma $ decays with the ATLAS experiment at the LHC

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2950 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS实验在13 TeV质子-质子碰撞中获取的140 fb⁻¹数据，搜索了希格斯玻色子衰变为两个轴子样粒子（ALPs）的衰变过程，每个ALP随后衰变为两个光子。该分析同时探测了即时衰变和长寿命ALP的衰变，针对ALP质量在100 MeV至62 GeV之间、耦合常数在10⁻⁷ TeV⁻¹至1 TeV⁻¹之间的参数空间，设定了95%置信水平下H→aa→4γ分支比的上限，范围为10⁻⁵至3×10⁻²。

ABSTRACT

Presented is the search for anomalous Higgs boson decays into two axion-like particles (ALPs) using the full Run 2 data set of $140\, ext {fb}^{-1}$ of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $13\, ext {TeV}$ recorded by the ATLAS experiment. The ALPs are assumed to decay into two photons, providing sensitivity to recently proposed models that could explain the $(g-2)_\mu $ discrepancy. This analysis covers an ALP mass range from 100 to $62\, ext {GeV}$ and ALP-photon couplings in the range $10^{-7}\, ext {TeV}^{-1}

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索希格斯玻色子衰变为两个轴子样粒子（ALPs）的过程。
• 探测ALP-光子耦合常数与ALP质量的参数空间，包括具有位移顶点的长寿命ALP。
• 测试通过ALP介导的光子耦合解释μ子反常磁矩（g−2）μ差异的理论模型。
• 通过引入高度准直的光子和位移顶点信号，将灵敏度扩展至先前仅考虑即时衰变的搜索范围之外。
• 在广泛的ALP质量和耦合常数范围内，设定H→aa→4γ分支比的上限。

提出的方法

• 利用ATLAS探测器在Run 2期间收集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量中心系为√s = 13 TeV。
• 采用专门的重建技术，识别高度准直的光子对和位移顶点，以探测长寿命ALP。
• 根据末态拓扑结构对事件进行分类：即时衰变（光子共线）、位移衰变（顶点分离）和四光子末态。
• 使用蒙特卡罗模拟来建模信号和背景过程，包括通过胶子融合和矢量玻色子融合机制产生的希格斯玻色子。
• 通过光子对的不变质量重建技术识别潜在的ALP信号，并与QCD和电弱背景相区分。
• 采用数据驱动方法与模拟相结合的方式进行背景估计，对光子重建效率和能量分辨率进行详细建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验在ALP质量与耦合常数广泛变化的条件下，对希格斯玻色子衰变为两个ALP（每个ALP再衰变为两个光子）的衰变过程的灵敏度如何？
• RQ2 与仅考虑即时衰变的先前研究相比，引入具有位移顶点的长寿命ALP衰变如何提升在ALP参数空间中的探测能力？
• RQ3 H→aa→4γ衰变模式在多大程度上能够探测通过ALP-光子耦合解释μ子反常磁矩（g−2）μ异常的理论模型？
• RQ4 四光子末态中的主要背景是什么？在存在高度准直光子的情况下，这些背景如何被高精度估计？
• RQ5 系统性不确定度（特别是与位移顶点重建和光子能量刻度相关的）对H→aa→4γ分支比最终上限的影响如何？

主要发现

• 在H→aa→4γ搜索通道中，未观测到显著超出标准模型背景的事件。
• 根据ALP质量和耦合常数的不同，95%置信水平下H→aa→4γ分支比的上限范围为10⁻⁵至3×10⁻²。
• 对于ALP质量高于15 GeV的情况，上限比先前使用8 TeV数据的ATLAS分析结果更为严格约一个数量级。
• 该分析的灵敏度与先前使用132 fb⁻¹ 13 TeV数据的CMS分析相当或略优。
• 通过引入位移顶点信号，能够探测长寿命ALP的ALP-光子耦合常数低至Cₐᵧᵧ/Λ ≈ 10⁻⁷ TeV⁻¹。
• 该搜索覆盖了广泛的参数空间，包括ALP质量从100 MeV至62 GeV、耦合常数从10⁻⁷ TeV⁻¹至1 TeV⁻¹，显著扩展了先前的约束范围。