[論文レビュー] Search for a new resonance decaying into two spin-0 bosons in a final state with two photons and two bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2338 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、CMS実験による√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を用いて、新しいスピン-0レゾナントXが2つのスピン-0ボソン（ヒッグスボソン2個のHH、またはヒッグスボソンと新しいスカラーYのHY）に崩壊するのを探索した。解析はγγbb最終状態を対象とし、機械学習と2次元尤度関数フィットを用いて95%信頼水準の生産断面積×分岐比の上限を設定した。観測された上限は0.90〜0.04 fbの間であり、Xが650 GeV、Yが90 GeVのとき、局所的有意水準は3.8σであった。

ABSTRACT

A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260-1000 GeV and 300-1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90-800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90-0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突において、新しいスピン-0レゾナントXが2つのスピン-0ボソン（HHまたはHY）に崩壊するのを探索すること。
• ワーブドエキストラディメンジョンやNMSSMといった新しい物理のモデルが予測するようなレゾナントを探ること。
• 138 fb⁻¹の統合した線量を用いて、γγbb最終状態におけるXの生産断面積と分岐比の制約を設定すること。
• X = 650 GeVおよびY = 90 GeVにおける局所的有意水準3.8σのレゾナント信号の可能性を調査すること。

提案手法

• 光子およびbクォーランスの識別に深層学習とジェット構造解析技術を用い、γγおよびbb最終状態におけるヒッグスボソンのインバリアント質量ピークを再構築する。
• γγbb最終状態における主要なQCDおよび電弱背景を抑制するために機械学習アルゴリズムを適用する。
• 信号収量を抽出し、上限を設定するために(mγγ, mjj)平面全体で2次元最大尤度フィットを実行する。
• POWHEG+PYTHIA8およびSHERPAを用いて、NLO QCDおよびパートンシャワーのマッチングを含めたシミュレートされた信号および背景サンプルを生成する。
• データ駆動的手法および専用キャリブレーションツールを用いて、ジェットエネルギースケール、積層、bタグ効率の補正を実施する。
• 検出器効果、線量、理論的入力からのシステムティック不確実性をモデル化し、上限設定手順に完全に伝播させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるγγbb最終状態で、新しいスピン-0レゾナントXがHHまたはHYに崩壊する際の生産断面積×分岐比の上限は何か？
• RQ2 γγbb最終状態において、X → HHまたはX → HY崩壊と整合するレゾナント信号の証拠は存在するか？
• RQ3 観測された上限は、ワーブドエキストラディメンジョンやNMSSMといったモデルをどのように制約するか？
• RQ4 (mγγ, mjj)平面におけるバックグラウンドのみの仮説からの任意の観測されたずれの局所的有意水準は何か？
• RQ5 ジェットエネルギースケール、積層、bタグ効率からのシステムティック不確実性は、最終的な上限にどのように影響するか？

主な発見

• スピン-0 Xレゾナントの生産断面積×分岐比に対する95%信頼水準の上限は、XおよびYの質量に応じて0.90 fbから0.04 fbの範囲にわたる。
• Xが650 GeV、Yが90 GeVのとき、最大の局所的有意水準3.8σが観測されたが、グローバル有意水準は2.8σ未満であった。
• 「どこかの場所を調べる効果（look-elsewhere effect）」を考慮した後、有意な過剰は観測されず、すべてのずれはバックグラウンドの揺らぎと整合的であった。
• 上限はワーブドエキストラディメンジョンおよびNMSSMの文脈で解釈され、基礎的スケールMplやグラビトン質量スケールといったモデルパラメータの制約を提供した。
• X質量が260–1000 GeV、Y質量が90–800 GeVの範囲において、γγbb最終状態におけるX → HHおよびX → HY崩壊に対する、これまでで最も厳しい上限を設定した。
• 専用の制御領域とデータ駆動型バックグラウンド推定を用いて信号モデルの妥当性を検証した。システムティック不確実性は主要領域で10%未満に抑えられ、良好に制御されていた。