利用 LHC 上的高粒度量能器增强对长寿命粒子的灵敏度

寻找长寿命粒子（LLP）是大型强子对撞机即将到来的运行轮次中令人兴奋的物理机会。本文中，我们聚焦于在此类搜索中使用高粒度量能器（HGCAL）——CMS 探测器升级的一部分——的一种新搜索策略。特别地，我们证明该升级量能器的高粒度（使我们能在量能器中看到“簇射径迹”）可在识别信号与压低本底方面起关键作用。我们使用标准模型希格斯玻色子衰变到一对 LLP（$h \to XX$）的信号模型研究了 HGCAL 的潜在可达范围。在仔细估计标准模型 QCD 与误重构假径迹本底后，我们给出了对较保守的矢量玻色子融合触发与一种新颖的位移径迹基触发的预期可达范围。我们的结果显示，矢量玻色子融合道中希格斯衰变分支比 BR$(h \to XX)$ 的最佳可达范围在寿命 $c\tau_X \sim 0.1$--$1$ 米时约为 $\mathcal{O}(10^{-4})$，而胶子胶子融合道中对类似寿命约为 $\mathcal{O}(10^{-5}\text{--}10^{-6})$。或者，对于 $c\tau_X \sim 10^3$ 米的 LLP，基于 HGCAL 的搜索应能在胶子胶子融合（矢量玻色子融合）道中分别探测到低至几 $\times 10^{-4}$（$10^{-2}$）的 BR$(h\to XX)$。与这些先前搜索相比，我们的新搜索在 LLP 参数空间的互补区域显示出增强的灵敏度。