[論文レビュー] Search for dark matter produced in association with a Higgs boson decaying to bottom quarks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2026

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ひとこと要約

CMSは、13 TeV陽子陽子衝突において、Higgs崩壊がbottom quarkへと起こる生成とDMを結びつけるモノ-Higgsチャネルを探索し、2017–2018データを2016データと結合して、baryonic Z'および2HDM+aモデルの除外限界を設定する。

ABSTRACT

A search for dark matter particles produced in association with a Higgs boson decaying to a bottom quark-antiquark pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV is presented. The data, collected with the CMS detector at the LHC, correspond to an integrated luminosity of 101 fb$^{-1}$. The analysis is performed in exclusive categories targeting both Lorentz-boosted (merged) and resolved b jet pair topologies, covering a wide range of Higgs boson transverse momentum. A statistical combination is made with a previous search using data collected in 2016 and corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$. The observed data agree with the standard model background predictions. Constraints are placed on models predicting new particles or interactions, such as those in the simplified frameworks of baryonic-Z' and 2HDM+a, where the latter is a type-II two-Higgs-doublet model featuring a heavy pseudoscalar with an additional light pseudoscalar. Upper limits at 95% confidence level are set on the production cross section for these models. For the baryonic-Z' model, Z' boson masses below 2.25 TeV are excluded for a dark matter particle candidate mass of 1 GeV. In the 2HDM+a model, heavy pseudoscalar masses between 850 and 1300 GeV are excluded for a light pseudoscalar mass of 350 GeV.

研究の動機と目的

• Higgs -> bb の崩壊を用いたモノ-ヒッグスチャネルでのDM探索の動機付け、DM生成シグネチャの大きな分岐比を活用。
• 結果を解釈するための2つの簡略化DM生成モデル（baryonic Z'と2HDM+a）を検討。
• boosted (merged) および resolved のHiggs崩壊にカテゴライズし、2016データと組み合わせて感度を向上。
• dominant backgrounds を制約する control regions を用いたデータ駆動背景推定戦略を提供。）
• method([
• CMS検出器データ13 TeV, 101 fb^-1 に対応、以前の35.9 fb^-1を含む組み合わせ分析。
• 信号をLOでbaryonic Z'と2HDM+aモデルとしてシミュレート; 背景モデルは Z(nunu)+jets, ttbar, W+jets, dibosons, QCD multijet サンプル。
• 事象を merged (AK8 ジェット) と resolved (AK4 bb̄ ジェット) のHiggs_topology に分類し、Higgs -> bb̄ の識別には deep learning タグ付け器（ParticleNet-MD）を適用。
• 2次元の最大尤度フィットを信号領域とコントロール領域で実施し、欠測的横方向モメントと Higgs 候補質量（m_SD または m_bb̄）を観測量として使用。
• systematic uncertainties をニューアンスパラメータとして組み込み、信号強度修正因子 bc を抽出して95% CL 限界を設定。

提案手法

• CMS検出器データ13 TeV corresponding to 101 fb^-1, with a previous 35.9 fb^-1 included for a combined analysis.
• Simulate signal in LO for baryonic Z' and 2HDM+a models; background modeling with Z(nunu)+jets, ttbar, W+jets, dibosons, and QCD multijet samples.
• Categorize events into merged (AK8 jet) and resolved (AK4 bb̄ jets) Higgs boson topologies and apply deep learning taggers (ParticleNet-MD) for Higgs -> bb̄ identification.
• Perform a two-dimensional maximum likelihood fit in signal regions and control regions, using missing transverse momentum and Higgs candidate mass (m_SD or m_bb̄) as observables.
• Incorporate systematic uncertainties as nuisance parameters and extract the signal strength modifier bc to set 95% CL limits.

Figure 1: Feynman diagrams for simplified benchmark models considered in this analysis: the baryonic- \PZpr model (left) and 2HDM+ \Pa model (right) [ 15 , 16 ] .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV陽子衝突でHiggs崩壊をbb̄とする生成と関連したDM生成の限界はどうなるか？
• RQ2 この最終状態でbaryonic Z'および2HDM+a簡易モデルは結果をどのように制約するか？
• RQ3 2017–2018データを2016データと組み合わせるとHiggs pT領域（boosted vs resolved）全体で感度は改善するか？
• RQ4 dominant backgroundsは何で、信号領域でcontrol regionsはどの程度予測力を持つか？

主な発見

• データには標準模型バックグラウンドを超える有意な過剰は観測されず。
• baryonic Z'モデルについて、DM質量が1 GeVの場合、Z'質量が2.25 TeV未満は除外。
• 2HDM+aモデルについて、m_A = 350 GeVで、heavy pseudoscalar質量が850〜1300 GeVは除外。
• merged および resolved の Higgs トポロジーを用い、ParticleNet-MD による Higgs -> bb̄ タギングを改善し、138 fb^-1の結合データセットを本研究で考慮。
• 結果は簡略化されたベンチマークフレームワークで解釈され、95%信頼区間の断定的な横断断面限界を提供。

Figure 2: Schematic representation of the analysis regions.