[論文レビュー] A search for decays of the Higgs boson to invisible particles in events with a top-antitop quark pair or a vector boson in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V} $

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2329 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、ヒッグスボソンの見えない崩壊を探索する。特に、トップクォーク対やベクトルボソンと関連して生成されたヒッグスボソンに注目し、関連する粒子がハドロン的に崩壊する場合を対象とする。138 fb⁻¹ のデータを用いて、95%信頼水準における branching fraction B(H → inv) の上限を 0.54（予想値 0.39）に設定した。この結果は、以前の探索結果と組み合わせることで、組み合わせ上限として 0.15（予想値 0.08）が得られた。

ABSTRACT

A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at ${\sqrt{s}=13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}}$ by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$\, ext {fb}^{-1}$. The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$\, ext {Ge}\hspace{-.08em} ext {V}$ Higgs boson to invisible particles, ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$, is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ searches carried out at ${\sqrt{s}=7}$, 8, and 13$\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}$ in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ is 0.15 (0.08 expected).

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV におけるトップクォーク対やベクトルボソンと関連して生成されたヒッグスボソンの見えない崩壊を探索すること。
• 特に、ダークマターがヒッグスボソンと結合するような、標準模型を越えた理論的状況を探る。
• 関連粒子の完全なハドロン的崩壊を伴う終状態を分析することで、B(H → inv) の分岐比に対する制約を強化すること。
• 制御領域とハドロン的反動変数を用いて、消失したレプトンや誤った再構成されたジェットに起因するバックグラウンドを低減すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb⁻¹ を使用する。
• トップクォークやベクトルボソンの崩壊から生じるジェットを要件とし、孤立したレプトンや光子がないことを条件としてバックグラウンドを抑制する。
• 主な識別子として、欠落運動量とレプトン／即時光子の横運動量のベクトル和であるハドロン的反動を用いる。
• 信号領域と制御領域を同時にフィットすることでバックグラウンドを制約し、信号強度を抽出する。
• 消失したレプトン事象（ℓlost）と Z → inv を多く含む制御領域を用いて、主要な標準模型バックグラウンドをデータから制約する。
• VBF、VH、ttH モードにおいて、√s = 7、8、13 TeV の以前の CMS 探索結果（VBF、VH、ttH モード）と組み合わせることで感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV におけるトップクォーク対やベクトルボソンと関連して生成されたヒッグスボソンの分岐比 B(H → inv) の上限は何か？
• RQ2 ハドロン的反動分布は、標準模型バックグラウンドと H → inv シグナルをどのように区別するか？
• RQ3 この解析を以前の CMS の見えないヒッグス崩壊探索結果と組み合わせることで、感度にどの程度の向上が得られるか？
• RQ4 制御領域は、消失したレプトンおよび Z → inv バックグラウンドをどの程度効果的に制約できるか？
• RQ5 すべての補完的生成モード（VBF、VH、ttH）にわたる B(H → inv) の組み合わせ上限は何か？

主な発見

• 138 fb⁻¹ の 13 TeV データを用いた ttH および VH 終状態において、95%信頼水準における B(H → inv) の上限は 0.54（予想値 0.39）である。
• すべての補完的生成モード（VBF、VH、ttH）にわたる B(H → inv) の組み合わせ上限は 0.15（予想値 0.08）であり、これは以前の上限に比べ顕著な改善である。
• 本解析により、95%信頼水準における B(H → inv) の上限が 0.15 に達し、単一実験による最も厳密な制約となっている。
• 消失したレプトンおよび Z → inv バックグラウンドの制御領域は、データを用いて妥当性が確認され、バックグラウンド推定の信頼性が保証された。
• ハドロン的反動変数は、特に高反動領域において、H → inv シグナルと主要な標準模型バックグラウンドを効果的に分離した。
• 以前の探索結果と組み合わせることで、補完的な運動量的および生成モードの情報を活用し、感度が向上した。