[論文レビュー] Combination of searches for invisible decays of the Higgs boson using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV collected with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、√s = 13 TeVで取得した139 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データに加え、以前のRun 1の結果を統合して、非可視ヒッグス粒子崩壊の統計的組み合わせを提示している。観測された（予想された）95%信頼水準におけるヒッグス非可視分岐比の上限はそれぞれ0.107（0.077）であり、これはこれまでで最も感受性の高い直接的制約であり、ヒッグスポータルダークマター理論を制約する。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model predict the production of dark matter particles at the LHC. Sufficiently light dark matter particles may be produced in decays of the Higgs boson that would appear invisible to the detector. This Letter presents a statistical combination of searches for H→invisible decays where multiple production modes of the Standard Model Higgs boson are considered. These searches are performed with the ATLAS detector using 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre–of–mass energy of Image 1 at the LHC. In combination with the results at Image 2 and Image 3, an upper limit on the H→invisible branching ratio of 0.107 (0.077) at the 95% confidence level is observed (expected). These results are also interpreted in the context of models where the 125 GeV Higgs boson acts as a portal to dark matter, and limits are set on the scattering cross-section of weakly interacting massive particles and nucleons.

研究の動機と目的

• Run 2およびRun 1のデータにおける複数の生成モードを組み合わせることで、非可視ヒッグス粒子崩壊に対する感度を向上させること。
• ヒッグス粒子が隠れたセクターへのポータルとして機能するダークマター理論を制約すること。
• 過去の個別または部分的な組み合わせよりも、ヒッグス非可視分岐比に対してより厳密な上限を設定すること。
• 異なる探索チャネルおよびデータ取得期間間の相関誤差を考慮すること。
• 高エネルギー物理学における複数の最終状態を統合するための堅牢な統計的フレームワークを提供すること。

提案手法

• VBF + EmissT、Z(→ℓℓ) + EmissT、tt̄ + EmissT、VBF + EmissT + γ、およびヒッグス + ジェット + EmissTの5つのATLAS探索チャネルの統合。
• 信号およびバックグラウンドの不確実性をすべてのチャネルおよびデータ走行で完全に相関させた統一された統計モデルの使用。
• Run 1の結果（√s = 7および8 TeV）を組み込み、感度を向上させること。
• 95%信頼水準における非可視分岐比の上限を設定するために、プロファイル尤度比検定の適用。
• モンテカルロシミュレーションおよびデータ駆動型技術を用いてバックグラウンドをモデル化し、系統的不確実性を推定すること。
• すべてのチャネルおよび走行における実験的および理論的不確実性の相関を考慮した共同フィットの実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルRun 2データおよび以前のRun 1データを用いた場合、ヒッグス粒子の非可視最終状態への分岐比に対する最もきつい上限は何か？
• RQ2 VBF、Vh、tthなど、異なるヒッグス生成モードは、非可視崩壊探索における全体の感度にどのように寄与するか？
• RQ3 チャネル間およびデータ取得期間間の相関不確実性は、最終的な上限にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 ヒッグス粒子がダークマターとの相互作用をHiggsポータルを介して媒介するモデルでは、結果がどのように制約を受けるか？
• RQ5 弱い力で相互作用する巨大質量粒子（WIMP）-核子散乱断面積への影響は何か？

主な発見

• ヒッグス粒子の非可視分岐比に対する観測上限は95%信頼水準で0.107であり、これはこれまでで最も感受性の高い直接的制約である。
• 予想される上限は95%信頼水準で0.077であり、信号が存在しない場合の強い統計的パワーを示している。
• Run 2とRun 1のデータを組み合わせることで、Run 2単体に比べて感度が著しく向上し、予想される上限が約10%低下した。
• ヒッグスポータルダークマター理論が制約され、ヒッグス-ダークマター結合定数およびWIMP-核子散乱断面積に上限が設定された。
• 125 GeVのヒッグスポータルモデルに100 GeVのダークマターを想定した場合、WIMP-核子スピン非依存散乱断面積の上限は1.1 × 10⁻⁴⁴ cm²に設定された。
• 以前のATLASおよびCMSの上限を上回り、Run 2単体でのATLASが報告した0.145よりも観測上限が低い。