Probing the existence of a new charged vector boson decaying into heavy neutral leptons using ultra-peripheral heavy ion collisions at ATLAS

技術要約：ATLASにおける超周辺重イオン衝突を用いた、重い中性レプトンへと崩壊する新しい荷電ベクトルボソンの存在の探索

問題と動機
標準模型（SM）は、ニュートリノ質量の起源、ダークマターの性質、および物質・反物質の非対称性といった根本的な課題に対処できていない。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のようなハドロン衝突型加速器は、標準模型を超える（BSM）物理学を探索するための主要なツールであるが、従来の陽子・陽子（$pp$）衝突は、重大な既約ハドロン（QCD）背景事象に悩まされている。この背景事象は、ソフトなレプトンや低い欠損横運動量（MET）が生成される低質量領域や圧縮質量シナリオにおいて、新物理の信号を覆い隠してしまう。

本論文では、これらの課題を軽減するための超周辺衝突（UPC）の可能性を調査している。UPCでは、ビーム成分（鉛イオンや陽子など）が断片化することなく、強烈な電磁場を介して互いに接近して相互作用する。このメカニウムは、QCD背景事象が大幅に減少した、光子・光子（$\gamma\gamma$）相互作用が支配的な「クリーン」な環境を生成する。本研究は、**ベクトル・スコトジェニック模型（VSM）**に焦点を当てている。この模型は、新しい荷電ベクトルボソン・ダブレット（$V^\pm$）と重い中性レプトン（HNLs, $N_L$）の存在を予測している。解析対象となる特定の信号チャネルは、二重ミューオンと欠損横運動量（$\mu^+\mu^- + \text{MET}$）へと崩壊する$V^\pm$ペアの生成である。

手法
著者らは、異なる質量範囲と衝突構成を対象とした二段構えの解析戦略を採用している：

1. 現在のLHC（Pb-Pb UPCs）:

   • セットアップ: $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV、積分ルミノシティ $L_{int} = 3.48 \text{ nb}^{-1}$ における鉛・鉛衝突の解析。
   • 模型: VSMのラグランジアンは、ベクトル・ダブレット $V_\mu$ とHNLsを含む。結合定数は、摂動論的一貫性とダークマターの制約を確保するために $\beta_1=0$ および $\beta_2=\beta_3=0.5$ に設定されている。
   • シミュレーション: 信号事象および背景事象は、FeynRules UFOファイルを用いたMadGraph5_aMC@NLOを使用して生成される。プロセス $^{208}_{82}\text{Pb} + ^{208}_{82}\text{Pb} \to \mu^+\mu^- + \text{MET} + ^{208}_{82}\text{Pb}^* + ^{208}_{82}\text{Pb}^*$ がシミュレートされる。
   • 解析: ランダム探索アルゴリズムを用いて、統計的有意性（$S$）を背景事象に対して最大化するように、運動学的および角度的なカット（横運動量 $p_T$、擬ラピディティ $\eta$、アコプラナリティ $\alpha$、角度分離 $\Delta R$、不変質量 $M$、および $\cos\theta$）を最適化する。

2. 高輝度LHC（pp-UPCs）:

   • セットアップ: $\sqrt{s} = 14$ TeV、 $L_{int} = 150 \text{ fb}^{-1}$ における陽子・陽子衝突の解析。
   • 戦略: 排他的な $\gamma\gamma$ 事象を特定するために、タギング技術（前方陽子検出器または大きなラピディティ・ギャップ）を利用する。
   • 比較: スレプトンに対する既存のスーパースパース（SUSY）探索からの除外限界と比較し、そのトポロジー的な類似性と、スピン1の性質という明確な違いを指摘している。

主な貢献と結果

• 低質量感度（Pb-Pb UPCs）:
  本研究は、ATLAS実験が $5 \text{ GeV} < M_{V^\pm}, M_{N_L} < 50 \text{ GeV}$ の質量範囲を直接探索できることを示している。これは、LEP-IIがスレプトンの探索を通じて間接的な制約のみを提供していた領域であり、かつ従来の $pp$ 探索が高度なQCD背景事象によって困難となっている領域である。

  • 除外: $3.48 \text{ nb}^{-1}$ を用いて、ATLASは95%信頼区間（C.L.）で以下のシナリオを除外できる：$(M_{V^\pm}, M_{N_L}) = (30, 20)$ GeV, $(30, 10)$ GeV, および $(20, 10)$ GeV。
  • 発見: $(20, 10)$ GeV のシナリオに対して、$5\sigma$ の発見有意度が達成可能である。
  • 運動学: 信号は、背景事象（$W$ ボソンの生成によって支配される）と比較して、よりソフトなミューオン $p_T$（20 GeV以下にピーク）、より低い不変質量、およびよりソフトなMETによって区別される。

• 高質量感度（HL-LHC pp-UPCs）:
  解析は $100 \text{ GeV} < M_{V^\pm}, M_{N_L} < 350$ GeV の質量範囲へと拡張される。

  • 除外と発見: HL-LHCは、$100-350$ GeV の範囲におけるシナリオを95% C.L.で除外できる。$5-250$ GeV の範囲のほとんどのシナリオにおいて、$5\sigma$ の有意度に達することができる。
  • 圧縮質量領域: pp-UPCのクリーンな環境により、ソフトなレプトン・トリガーのために従来の $pp$解析では困難とされる、圧縮質量シナリオ（$\Delta m = M_{V^\pm} - M_{N_L}$ が小さい場合）への感度が可能となる。
  • SUSYとの比較: 予測される除外限界は、ATLAS、CMS、およびLEPからの現在の直接的なスレプトン限界を超えるパラメータ空間をカバーしている。著者らは、最終状態のトポロジーはスレプトン・ニュートラリーノ生成を模倣しているものの、$V^\pm$ のスピン1の性質が、追加の識別力をもたらす独特の角度分布（アコプラナリティ、$\Delta R$、$\cos\theta$）をもたらすと強調している。

意義
本論文は、超周辺衝突（UPC）が、BSM物理学の探索において強力かつ補完的な手段を提供することを主張している。電磁的な支配を利用することで、本研究は、直接探索が困難であった質量領域（LEP-IIの間接的限界を下回る領域）や、標準的なハドロン背景事象が禁止的な高質量圧縮領域において、新しい荷電ベクトルボソンに対する直接的な実験的テストを提供する。結果は、既存のATLASにおけるPb-Pbデータが軽いベクトルボソン模型を検証するのに十分である一方で、将来のHL-LHC pp-UPCデータは、現在のSUSY探索では到達できないパラメータ空間をカバーし、ベクトル・スコトジェニック模型の発見範囲を大幅に拡大できることを示唆している。