[論文レビュー] Search for a CP-odd Higgs boson decaying into a heavy CP-even Higgs boson and a $Z$ boson in the $\ell^+\ell^- t\bar{t}$ and $ u\bar{ u}b\bar{b}$ final states using 140 fb$^{-1}$ of data collected with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2981 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、LHCラン2期における13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用い、ATLAS検出器を用いて、CP奇性のヒッグスボソン（A）がZボソンと重いCP偶性ヒッグスボソン（H）に崩壊する過程を探索した。標準模型との著しいずれのずれも観測されず、A→ZH生成断面積に対する上限が設定された。特にmH > 350 GeVおよびmA > 800 GeV領域で感度が向上した。再構成されたm(t̄t)およびm(bb̄)分布に対するモデルに依存しない上限が提示された。

ABSTRACT

A search for a heavy CP-odd Higgs boson, A, decaying into a Z boson and a heavy CP-even Higgs boson, H, is presented. It uses the full LHC Run 2 dataset of pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{−1}$. The search for A → ZH is performed in the $ {\ell}^{+}{\ell}^{-}t\overline{t} $ and $ u \overline{ u}b\overline{b} $ final states and surpasses the reach of previous searches in different final states in the region with m$_{H}$ > 350 GeV and m$_{A}$ > 800 GeV. No significant deviation from the Standard Model expectation is found. Upper limits are placed on the production cross-section times the decay branching ratios. Limits with less model dependence are also presented as functions of the reconstructed m($ t\overline{t} $) and m($ b\overline{b} $) distributions in the $ {\ell}^{+}{\ell}^{-}t\overline{t} $ and $ u \overline{ u}b\overline{b} $ channels, respectively. In addition, the results are interpreted in the context of two-Higgs-doublet models.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた拡張されたヒッグス系における、重いCP奇性ヒッグスボソン（A）がZボソンと重いCP偶性ヒッグスボソン（H）に崩壊する過程の探索。
• H→bb̄、WW、ττ崩壊に依存する従来の探索では到達できない、mH > 2mtop のパラメータ領域の探査。
• ℓ⁺ℓ⁻t̄tおよびνν̄bb̄最終状態を対象とすることで、高質量領域（mA > 800 GeV、mH > 350 GeV）における感度を向上。
• 再構成されたm(t̄t)およびm(bb̄)分布に対するモデルに依存しない上限を提示し、理論的依存性を低減。
• 特にmA ≠ mHおよびアライメント限界を含む2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）の枠組みで結果を解釈。

提案手法

• 本分析では、LHCラン2期にATLAS検出器が収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いた。
• 2つの最終状態（ℓ⁺ℓ⁻t̄t および νν̄bb̄）でイベントを選別した。ℓ⁺ℓ⁻t̄tでは、1つのトップクォークが半レプトン的崩壊し、もう1つがハドロン的崩壊する。νν̄bb̄では、Z→νν̄およびH→bb̄の崩壊を想定した。
• 感度を向上させるために、再構成されたトップクォーク対およびbクォーク対の質量（m(t̄t)およびm(bb̄)）を主要な運動量変数とした。
• 背景は制御領域とシミュレーションを用いて推定され、マルチジェット、Drell-Yan、およびトップクォーク寄与の取り扱いに注意を払った。
• オブジェクト再構成、トリガー効率、ジェットおよび欠落横断運動量のモデル化に関する系統的不確実性を評価した。
• 統計的有意性はプロファイル尤度比検定を用いて評価され、95%信頼水準におけるA→ZH生成断面積の上限が設定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験は、ℓ⁺ℓ⁻t̄t最終状態におけるCP奇性ヒッグスボソン（A）がZボソンと重いCP偶性ヒッグスボソン（H）に崩壊する過程に対して、どの程度の感度を持つのか？
• RQ2 νν̄bb̄最終状態の感度は、従来の探索と比較して、特に高質量領域（mA > 800 GeV）でどう異なるか？
• RQ3 再構成されたm(t̄t)およびm(bb̄)分布に対して、モデルに依存しない上限を設定できるか？
• RQ4 2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）において、A→ZHの信号強度にどのような制約が与えられるか。特にアライメント限界およびmA ≠ mHの状況で。
• RQ5 mH > 350 GeVおよびmA > 800 GeV領域において、他の最終状態での従来の探索と比較して、本結果はどのように異なるか？

主な発見

• ℓ⁺ℓ⁻t̄tおよびνν̄bb̄最終状態の両方で、標準模型の背景を超える顕著な過剰は観測されなかった。
• 95%信頼水準におけるA→ZH生成断面積の上限が設定され、特にmH > 350 GeVおよびmA > 800 GeV領域で、従来の探索に比べ感度が向上した。
• 再構成されたm(t̄t)およびm(bb̄)分布に対するモデルに依存しない上限が提示され、パラメータ空間全体にわたる強固な制約が得られた。
• 2HDMの文脈では、mA > mH の領域が特にtanβ = 1〜10の範囲で制限された。
• 特に高質量領域において、従来のℓ⁺ℓ⁻t̄tおよびνν̄bb̄チャンネルの探索を超える感度が達成された。
• 結果は、階層的2HDMおよびダークマター媒介子を含むモデルにおいて解釈され、既存のLHC探索の探査範囲を拡張した。