Searches for axionlike particles via <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math> fusion at future <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo></mml:msup></mml:math> colliders

Abstract

Opportunities for searches for axionlike particles (ALPs) coupling to photons in <a:math xmlns:a="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><a:msup><a:mi>e</a:mi><a:mo>+</a:mo></a:msup><a:msup><a:mi>e</a:mi><a:mo>−</a:mo></a:msup></a:math> collisions at the Future Circular Collider (FCC-ee) and International Linear Collider (ILC) are investigated. We perform a study of the photon-fusion production of ALPs decaying into two photons, <c:math xmlns:c="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><c:mrow><c:msup><c:mrow><c:mi>e</c:mi></c:mrow><c:mrow><c:mo>+</c:mo></c:mrow></c:msup><c:msup><c:mrow><c:mi>e</c:mi></c:mrow><c:mrow><c:mo>−</c:mo></c:mrow></c:msup><c:mover accent="true"><c:mrow><c:mo stretchy="true">→</c:mo></c:mrow><c:mrow><c:mi>γ</c:mi><c:mi>γ</c:mi></c:mrow></c:mover><c:msup><c:mrow><c:mi>e</c:mi></c:mrow><c:mrow><c:mo>+</c:mo></c:mrow></c:msup><c:mi>a</c:mi><c:mo stretchy="false">(</c:mo><c:mi>γ</c:mi><c:mi>γ</c:mi><c:mo stretchy="false">)</c:mo><c:msup><c:mrow><c:mi>e</c:mi></c:mrow><c:mrow><c:mo>−</c:mo></c:mrow></c:msup></c:mrow></c:math>, over the light-by-light continuum background, for the planned FCC-ee and ILC center-of-mass energies and integrated luminosities. An analysis of the feasibility measurements is presented using parametrized simulations for two types of detectors. Upper limits at 95% confidence level (C.L.) on the cross section for ALP production, <i:math xmlns:i="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><i:mi>σ</i:mi><i:mo stretchy="false">(</i:mo><i:mi>γ</i:mi><i:mi>γ</i:mi><i:mo stretchy="false">→</i:mo><i:mi>a</i:mi><i:mo stretchy="false">→</i:mo><i:mi>γ</i:mi><i:mi>γ</i:mi><i:mo stretchy="false">)</i:mo></i:math>, and on the ALP-photon coupling are obtained over the <o:math xmlns:o="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><o:msub><o:mi>m</o:mi><o:mi>a</o:mi></o:msub><o:mo>≈</o:mo><o:mn>0.1</o:mn><o:mi>–</o:mi><o:mn>1000</o:mn><o:mtext> </o:mtext><o:mtext> </o:mtext><o:mi>GeV</o:mi></o:math> ALP mass range, and compared to current and future collider searches. Production cross sections down to <q:math xmlns:q="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><q:mi>σ</q:mi><q:mo stretchy="false">(</q:mo><q:mi>γ</q:mi><q:mi>γ</q:mi><q:mo stretchy="false">→</q:mo><q:mi>a</q:mi><q:mo stretchy="false">→</q:mo><q:mi>γ</q:mi><q:mi>γ</q:mi><q:mo stretchy="false">)</q:mo><q:mo>≈</q:mo><q:mn>1</q:mn><q:mtext> </q:mtext><q:mtext> </q:mtext><q:mi>fb</q:mi></q:math> (1 ab) will be probed at <w:math xmlns:w="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><w:msub><w:mi>m</w:mi><w:mi>a</w:mi></w:msub><w:mo>≈</w:mo><w:mn>1</w:mn></w:math> (300) GeV, corresponding to constraints on the axion-photon coupling as low as <y:math xmlns:y="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><y:msub><y:mi>g</y:mi><y:mrow><y:mi mathvariant="normal">a</y:mi><y:mi>γ</y:mi><y:mi>γ</y:mi></y:mrow></y:msub><y:mo>≈</y:mo><y:mn>2</y:mn><y:mo>×</y:mo><y:msup><y:mn>10</y:mn><y:mrow><y:mo>−</y:mo><y:mn>3</y:mn></y:mrow></y:msup><y:mtext> </y:mtext><y:mtext> </y:mtext><y:mrow><y:msup><y:mrow><y:mi>TeV</y:mi></y:mrow><y:mrow><y:mo>−</y:mo><y:mn>1</y:mn></y:mrow></y:msup></y:mrow></y:math>. Published by the American Physical Society 2024

Topics & Concepts