[論文レビュー] Search for doubly charged Higgs boson production in multi-lepton final states using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2942 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCラン2期の13 TeV陽子陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いて、同一電荷のレプトン最終状態における二重に電荷を帯びたヒッグスボソン（H±±）の探索を報告している。信号は観測されなかったため、左対称型II seesawモデルでは95%信頼水準で1080 GeV、Zee–Babuモデルでは900 GeVの質量下限が観測された最も厳しい制限となった。

ABSTRACT

A search for pair production of doubly charged Higgs bosons ($H^{\pm \pm}$), each decaying into a pair of prompt, isolated, highly energetic leptons with the same electric charge, is presented. The search uses a proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. This analysis focuses on same-charge leptonic decays, $H^{\pm \pm} ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\prime \pm}$ where $\ell, \ell^\prime=e, \mu, au$, in two-, three-, and four-lepton channels, but only considers final states which include electrons or muons. No evidence of a signal is observed. Corresponding limits on the production cross-section and consequently a lower limit on $m(H^{\pm \pm})$ are derived at 95% confidence level. Assuming that the branching ratios to each of the possible leptonic final states are equal, $\mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm e^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow au^\pm au^\pm) = 1/6$, the observed lower limit on the mass of a doubly charged Higgs boson is 1080 GeV within the left-right symmetric type-II seesaw model, which is an improvement over previous limits. Additionally, a lower limit of $m(H^{\pm \pm})$ = 900 GeV is obtained in the context of the Zee-Babu neutrino mass model.

研究の動機と目的

• マルチレプトン最終状態における、同一電荷のレプトン対に崩壊するペア生成された二重に電荷を帯びたヒッグスボソン（H±±）の探索。
• 左対称型II seesawモデルおよびZee–Babuニュートリノ質量モデルにおけるH±±質量に対する最も厳しい実験的制限を設定すること。
• H±±の生成と同一電荷レプトンへの崩壊を通じて、LHCでZee–Babuモデルに対する初めての直接的テストを実施すること。
• H±±がレプトンに及ぼす結合を調べることで、標準模型を超える物理（BSM）を制約すること。

提案手法

• 本分析では、LHCラン2期にATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いた。
• イベントは再構成された電子およびミューオンを用いて再構成され、プロンプトで、孤立しており、高い横方向運動量を持つレプトンを要件とした。
• 解析は、タウレプトンを最終状態に含まない、電子およびミューオンのみからなる2、3、4レプトン最終状態に焦点を当てた。
• 電荷誤識別および偽/非プロンプトレプトンのバックグラウンドは、データ駆動型手法とシミュレーションを用いて推定された。
• 再構成、選別、バックグラウンド推定に関するシステムティック不確実性が評価され、信号断面積の上限を設定するために完全な統計的フィットが用いられた。
• H±±生成断面積の上限は質量関数として導出され、すべての6つのレプトン最終状態（それぞれ1/6のBr）に等しい分岐比を仮定して質量制限が抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 95%信頼水準において、H±± →ℓ±ℓ′±崩壊モードにおけるH±±生成断面積の上限は何か？
• RQ2 ラン2期ATLASデータに基づき、左対称型II seesawモデルにおけるH±±質量の最も厳しい下限は何か？
• RQ3 Zee–Babuニュートリノ質量モデルは、H±±生成と同一電荷レプトンへの崩壊を通じてLHCで直接テスト可能か？
• RQ4 同一電荷レプトン最終状態を持つさまざまなBSMモデルにおいて、観測されたと予想されるH±±質量の制限はどのように比較されるか？

主な発見

• 2、3、4レプトンの同一電荷最終状態のいずれに対しても、有意な信号は観測されなかった。
• 左対称型II seesawモデルにおける観測（予想）されたH±±質量の下限は、95%信頼水準で1080 GeV（1065 GeV）であった。
• Zee–Babuモデルに対するLHCで初めての直接的テストは、観測（予想）されたH±±質量の下限を900 GeV（880 GeV）とした。
• 本分析では、6つの可能な同一電荷レプトン最終状態（e±e±、e±μ±、μ±μ±、e±τ±、μ±τ±、τ±τ±）それぞれに等しい分岐比（1/6）を仮定しており、理論的期待と整合的である。
• 本結果は、以前のATLASおよびCMSの制限を改善し、これらのモデルにおけるH±±質量に対するこれまでで最も強い制限を示した。
• 本研究は、400–1300 GeVの質量範囲において、Drell–Yan生成が他のメカニズム（例：ベクトルボソン融合、グルーオン融合）を上回って支配的であることを確認した。