[論文レビュー] Search for an exotic decay of the Higgs boson into a Z boson and a pseudoscalar particle in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2360 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、中性子ヒッグスボソンの新しい崩壊モード $H \to Za$ に対するLHCでの最初の探索を提示する。ここで、パラメータ $a$ は2つの光子に崩壊し、$Z$ ボソンは2つのレプトンに崩壊する。$\sqrt{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb$^{-1}$ を用いて、$m_a$ が 1–30 GeV の範囲で $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ の断面積に対して 95% 確信区間の上限を設定した。観測された（予想された）上限はそれぞれ 1.1–17.8 fb（1.7–17.9 fb）であり、$m_a = 3$ GeV で局所的（グローバル）で 2.6（1.3）σ の過剰が観測された。

ABSTRACT

A search for an exotic decay of the Higgs boson to a Z boson and a light pseudoscalar particle (a), decaying to a pair of leptons and a pair of photons, respectively, is presented. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The analysis probes pseudoscalar masses $m_\mathrm{a}$ between 1 and 30 GeV, leading to two pairs of well-isolated leptons and photons. Upper limits at 95% confidence level are set on the Higgs boson production cross section times its branching fraction to two leptons and two photons. The observed (expected) limits are in the range of 1.1-17.8 (1.7-17.9) fb within the probed $m_\mathrm{a}$ interval. An excess of data above the expected standard model background with a local (global) significance of 2.6 (1.3) standard deviations is observed for a mass hypothesis of $m_\mathrm{a}$ = 3 GeV. Limits on models involving axion-like particles, formulated as an effective field theory, are also reported.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における、ヒッグスボソンが $Z$ ボソンと軽いパラメータ $a$ に崩壊するような、非標準的崩壊モードの探索。ここで $a$ は2つの光子に崩壊し、$Z$ ボソンは2つのレプトンに崩壊する。
• LHC における $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 崩壊モードを通じて、axion-like パarticle（ALP）の存在を調べること。
• $m_a$ が 1 から 30 GeV の間で、ヒッグスボソンの分岐比と生成断面積の積に対する上限を設定すること。
• 13 TeV の陽子-陽子衝突から得られた実験データを用いて、ALP がヒッグスおよび $Z$ ボソンと結合する有効場理論モデルを検証すること。
• 標準模型では抑制されるが、新しい物理を示唆する可能性があるこの非標準的崩壊チャネルに対する、最初の実験的制約を提供すること。

提案手法

• 解析は、CMS検出器が収集した、$\sqrt{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb$^{-1}$ を使用する。
• 2つの良好に分離されたレプトン（電子またはミューオン）と2つの光子を有するイベントを選別し、$Z \to \ell\ell$ および $a \to \gamma\gamma$ 崩壊と整合するようにする。
• 信号モデルは、$m_a$ を 1 から 30 GeV のステップで変化させた $H \to Za$ に対して、一次元行列要素生成器（MADGRAPH5 aMC@NLO）を用いて構築する。
• バックグラウンドは主にデータからモデル化され、ジェットが誤って光子と識別される Drell–Yan $Z + \text{jets}$ イベントが主な寄与源である。
• 運動量およびトポロジー変数を用いた多変量解析を適用し、信号とバックグラウンドを区別する。
• 95% 確信区間における信号断面積の上限を設定するために、プロファイル尤度比検定を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子-陽子衝突において、$\sqrt{s} = 13$ TeV の下で、ヒッグスボソンが $Z$ ボソンと軽いパラメータ $a$ に崩壊するか？ ここで $a \to \gamma\gamma$ である。
• RQ2 パラメータ $a$ の質量が 1 から 30 GeV の間で、$H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 崩壊率に対する上限は何か？
• RQ3 $m_a = 3$ GeV と整合する $\ell\ell\gamma\gamma$ 最終状態に、共鳴または過剰が観測されたか？
• RQ4 結果は、ヒッグスおよび $Z$ ボソンと結合する axion-like パarticle を含む有効場理論モデルをどの程度制約するか？
• RQ5 $\ell\ell\gamma\gamma$ 最終状態における、標準模型のバックグラウンドを超える観測された過剰の有意水準は何か？

主な発見

• 1–30 GeV の $m_a$ 範囲で、ヒッグスボソンの生成断面積と分岐比の積に対する 95% 確信区間の上限が、観測値で 1.1–17.8 fb、予想値で 1.7–17.9 fb の範囲に設定された。
• $m_a = 3$ GeV の仮説において、標準模型のバックグラウンドを上回るデータの過剰が観測され、局所的有意水準は 2.6σ、グローバル有意水準は 1.3σ であった。
• 観測された有意水準は、局所的有意水準 2.6σ に相当し、信号に類似した揺らぎを示唆するが、多重検定補正を施した後は統計的に有意ではない。
• 本解析は、LHC における $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 崩壊モードに対する、最初の実験的制約を設定した。これは、axion-like パarticle を探査する新しいチャネルを提供する。
• 結果は、特に $m_a < 30$ GeV の低質量領域において、ALP を含む有効場理論モデルを制約する。
• 信号選別効率は、異なる $m_a$ 値においても安定しており、包含的ヒッグス生成を基準に正規化した場合、生産モード間で差が顕著にない（<1% の差）ことが判明した。