Search for short- and long-lived axion-like particles in $$H\rightarrow a a \rightarrow 4\gamma $$ decays with the ATLAS experiment at the LHC
G. Aad, B. Abbott, K. Abeling, Nils Julius Abicht, S. H. Abidi, A. Aboulhorma, H. Abramowicz, H. Abreu, Y. Abulaiti, B. S. Acharya, C. Adam Bourdarios, L. Adamczyk, S. V. Addepalli, M. J. Addison, J. Adelman, A. Adıgüzel, T. Adye, A. A. Affolder, Y. Afik, M. N. Agaras, J. Agarwala, A. Aggarwal, C. Agheorghiesei, A. Ahmad, F. Ahmadov, W. S. Ahmed, S. Ahuja, X. Ai, G. Aielli, A. Aikot, M. Ait Tamlihat, B. Aitbenchikh, I. Aizenberg, M. Akbiyik, T. P. A. Åkesson, A. V. Akimov, D. Akiyama, Nilima Nilesh Akolkar, K. Al Khoury, G. L. Alberghi, J. Albert, P. Albicocco, Guillaume Lucas Albouy, S. Alderweireldt, M. Aleksa, I. N. Aleksandrov, C. Alexa, T. Alexopoulos, F. Alfonsi, M. Algren, M. Alhroob, B. Ali, H. M. J. Ali, S. Ali, Samuel William Alibocus, M. Aliev, G. Alimonti, W. Alkakhi, C. Allaire, B. M. M. Allbrooke, Julia Frances Allen, C. Flores, P. P. Allport, A. Aloisio, F. Alonso, C. Alpigiani, M. Alvarez Estevez, A. Álvarez Fernández, Mario Alves Cardoso, M. G. Alviggi, M. Aly, Y. Amaral Coutinho, A. Ambler, C. Amelung, M. Amerl, C. G. Ames, D. Amidei, S. P. Amor Dos Santos, K. R. Amos, V. Ananiev, C. Anastopoulos, T. Andeen, J. K. Anders, S. Y. Andrean, A. Andreazza, S. Angelidakis, A. Angerami, A. V. Anisenkov, A. Annovi, C. Antel, M. T. Anthony, E. Antipov, M. Antonelli, F. Anulli, M. Aoki, T. Aoki, J. A. Aparisi Pozo, M. A. Aparo, L. Aperio Bella, C. Appelt
Abstract
Abstract Presented is the search for anomalous Higgs boson decays into two axion-like particles (ALPs) using the full Run 2 data set of $$140\,\text {fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>140</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $$13\,\text {TeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>13</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> recorded by the ATLAS experiment. The ALPs are assumed to decay into two photons, providing sensitivity to recently proposed models that could explain the $$(g-2)_\mu $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> discrepancy. This analysis covers an ALP mass range from 100 to $$62\,\text {GeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>62</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> and ALP-photon couplings in the range $$10^{-7}\,\text {TeV}^{-1}<C_{a\gamma \gamma }/\Lambda <1 \,\text {TeV}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>7</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo><</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>C</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>Λ</mml:mi> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , and therefore includes signatures with significantly displaced vertices and highly collinear photons. No significant excess of events above the Standard Model background is observed. Upper limits at 95% confidence level are placed on the branching ratio of the Higgs boson to two ALPs in the four-photon final state, and are in the range of $$ 10^{-5}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> to $$3\times 10^{-2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , depending on the hypothesized ALP mass and ALP-photon coupling strength.