[論文レビュー] Model-independent search for the presence of new physics in events including $H ightarrow\gamma\gamma$ with $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp data recorded by the ATLAS detector at the LHC

Aad, G., Abbott, B.+2881 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

このモデルに依存しない探索では、LHCのATLAS検出器が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用い、ヒッグス粒子の二光子崩壊における新しい物理現象を調査した。22の最終状態（さまざまな関連粒子を含む）を検討した。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準における新しい物理現象生成断面積の上限が設定された。モデルに依存しない解釈のため、ベンチマークBSMのシナリオにわたる検出器レベルの効率が報告された。

ABSTRACT

A model-independent search for new physics leading to final states containing $H ightarrowγγ$ decays is performed with 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp collision data recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. This search examines 22 final states categorized by the objects that are produced in association with the Higgs boson. These objects include isolated electrons or muons, hadronically decaying $τ$-leptons, additional photons, missing transverse momentum, and hadronic jets, as well as jets that are tagged as containing a b-hadron. No significant excesses above Standard Model expectations are observed and limits on the production cross section at 95% confidence level are set. Detector efficiencies are reported for all 22 signal regions, which can be used to convert detector-level cross-section limits reported in this paper to particle-level cross-section constraints.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）を超える新しい物理現象（BSM）を、ヒッグス粒子の二光子崩壊に特化せずに探求すること。
• 電子、ジェット、光子、および欠落運動量を含むさまざまな関連粒子を伴う最終状態におけるヒッグス粒子生成率のずれを特定すること。
• さまざまなBSMモデルにおける粒子レベルの制約に翻訳可能な、検出器レベルのBSMヒッグス生成断面積の上限を設定すること。
• 22の信号領域における検出器効率を報告し、将来的なモデル比較のための断面積上限を粒子レベルの制約に変換可能にする。

提案手法

• 解析には、LHCのATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹の13 TeV pp衝突データが使用された。
• 信号領域は、電子、ミューオン、タウレプトン、光子、ジェット、bジェット、および欠落運動量といったヒッグス粒子に関連する対象の存在と運動学的性質に基づいて定義された。
• 信号およびバックグラウンドのモデル化に、二光子のインヴァリアント質量（mγγ）分布が用いられ、バックグラウンドは解析関数へのフィットに基づく手法で推定された。
• 22の信号領域における複数のベンチマークBSMモデルの検出器レベル効率を計算するために、モンテカルロシミュレーションが使用された。
• SMおよびBSMヒッグス生成のモデル化、連続的バックグラウンド、および共鳴的バックグラウンドの生成率に関する系arness的不確実性が評価された。
• プロファイル尤度比法を用いて95%信頼水準でのBSM生成断面積の上限が設定され、信号領域間の相関関係が報告された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス粒子が二光子に崩壊する際、電子、ジェット、光子、欠落運動量などの関連粒子を伴う多様な最終状態において、標準模型の期待値から顕著なずれが観測されるか？
• RQ2 多様な関連対象を伴う二光子最終状態を用いて、モデルに依存しない新しい物理現象生成断面積の上限を設定できるか？
• RQ3 22の信号領域における検出器レベル効率はどのように変動し、それらがBSMモデルの粒子レベル断面積への上限の解釈を可能にするか？
• RQ4 SUSY、FCNC、またはベクトル型クォークなどの異なるBSMシナリオに対するこの探索の感度は、検出器レベル断面積上限によってどのように定量化されるか？
• RQ5 高いイベント数を持つ信号領域間の相関関係は、観測された上限にどのように反映されるか？

主な発見

• 22の信号領域のいずれに対しても、標準模型の期待値を上回る有意な過剰は観測されなかった。
• 22の信号領域すべてにおいて、95%信頼水準での新しい物理現象生成断面積の上限が設定され、最終状態に応じて約0.1から10倍のSMヒッグス断面積の範囲を示した。
• 各信号領域における検出器レベル効率が報告され、最終状態粒子の運動学的性質やモデルに応じて約10%から80%以上に変動した。
• 低バックグラウンドと高い質量分解能のおかげで、H→γγチャンネルにおける高い感度を達成した。これにより、信号とバックグラウンドの明確な分離が可能になった。
• 高いイベント数を持つ信号領域間で、観測された上限の相関関係が報告され、共通のBSMシグネチャに対する共通の感度を示した。
• 結果はモデルに依存しない形式で提供され、検出器レベルの上限と効率が、SUSY、FCNC、ベクトル型クォークを含む幅広いBSM理論の再解釈を可能にした。