Search for the decay of the Higgs boson to a Z boson and a long-lived axion-like particle decaying to two photons with the ATLAS Detector

Abstract

The Standard Model of particle physics is one of the most successful theories, capable of describing a wide range of observed physical processes. However, some phenomena cannot be explained within the Standard Model, necessitating a theoretical extension. The Large Hadron Collider (LHC) at CERN aids in this effort through precision tests and searches for Beyond Standard Model particles using dedicated analyses. Several well-motivated extensions of the Standard Model include Axion-Like Particles (ALPs), which can couple to photons. This thesis presents two searches for ALPs.

The first search, described in the thesis, uses ATLAS Run 2 proton-proton (pp) data to constrain the exotic decay of the Higgs boson into a Z boson and an ALP, leading to a final state of two leptons and two photons. This measurement focuses on long-lived ALPs, which do not decay promptly, extending the excluded photon-ALP coupling phase space and providing limits for a range of couplings not previously covered by ATLAS.

The second search, described in the thesis, utilizes ATLAS Run 3 lead-lead (PbPb) data to probe the resonant production of an ALP in photon-photon scattering within the ATLAS detector. This is the first ALP measurement in ATLAS at a collision energy of $\sqrt{s} = 5.36$ TeV.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der erfolgreichsten Theorien, die in der Lage ist, ein breites Spektrum beobachteter physikalischer Prozesse zu beschreiben. Einige Phänomene können jedoch nicht mit dem Standardmodell erklärt werden, so dass eine theoretische Erweiterung erforderlich ist. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN unterstützt diese Bemühungen durch Präzisionstests und die Suche nach Teilchen jenseits des Standardmodells mit Hilfe spezieller Analysen. Mehrere gut begründete Erweiterungen des Standardmodells umfassen Axion-ähnliche Teilchen (ALPs), die an Photonen koppeln können. In dieser Arbeit werden zwei Suchläufe nach ALPs vorgestellt.

Die erste Suche verwendet ATLAS Run 2 Proton-Proton (pp)-Daten, um den exotischen Zerfall des Higgs-Bosons in ein Z-Boson und ein ALP einzugrenzen, was zu einem Endzustand aus zwei Leptonen und zwei Photonen führt. Diese Messung konzentriert sich auf langlebige ALPs, die nicht sofort zerfallen. Dadurch wird der Phasenraum der ausgeschlossenen Photon-ALP-Kopplung erweitert und es werden Grenzwerte für eine Reihe von Kopplungen ermittelt, die bisher von ATLAS nicht erfasst wurden.

Die zweite Suche nutzt ATLAS Run 3 Blei-Blei (PbPb) Daten, um die resonante Produktion eines ALP in der Photonen-Photonen-Streuung innerhalb des ATLAS-Detektors zu untersuchen. Dies ist die erste ALP-Messung in ATLAS bei einer Kollisionsenergie von $\sqrt{s} = 5.36$ TeV.