[論文レビュー] Search for heavy resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a Higgs boson in final states with leptons and $b$-jets in $139~$fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~$TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.+2922 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹において、ZまたはWボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴状態の探索を報告する。有意な過剰は観測されず、生成断面積の95%信頼水準上限は0.3 fbから1.3 pbの範囲にあり、ベンチマークモデルにおいて3.2 TeV未満のZ′およびW′ボソンが除外され、Heavy Vector Tripletモデルおよび2ヒッグスダブルレットモデルにおけるパラメータが制約されている。

ABSTRACT

This article presents a search for new resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a 125 GeV Higgs boson $h$, and it targets the $ν\barνb\bar{b}$, $\ell^+\ell^-b\bar{b}$, or $\ell^{\pm}νb\bar{b}$ final states, where $\ell=e$ or $μ$, in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions of $Zh$ or $Wh$ candidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、125 GeVのヒッグスボソンとZまたはWボソンに崩壊する新しい重い共鳴状態の探索。
• 階層問題を説明するモデルや拡張されたスカラー系を有するモデル、例えばHeavy Vector Tripletモデルおよび2ヒッグスダブルレットモデルの探査。
• 洗練された再構成および解析手法を用いて、高質量共鳴状態に対する感度を向上。
• より大きなデータセットおよび改善されたbタギングと運動量選別を用いて、新しい物理のパラメータに対する除外限界を設定。

提案手法

• ZおよびWボソン候補を、レプトンの崩壊（ℓ⁺ℓ⁻、ℓ±ν、νν）を介して再構成し、ヒッグスボソン候補を、運動量に応じてbクォークジェットまたは大半径ジェットを用いて再構成。
• 共鳴状態質量のチャネル依存の代理変数を用い、再構成されたZ/Wおよびヒッグス候補をZ′/W′またはA共鳴状態仮説に統合。
• 運動量およびイベントレベル変数（特にννbbチャンネルにおけるEₜₘᵢₛₛの有意性）を用いて、信号領域およびバックグラウンド支配の制御領域で最適化された選別基準を適用。
• データの観測分布を解釈するために、バックグラウンド正規化をフィットから抽出する、ビン化された最尤フィットを実施。
• 高質量領域での信号受容率を向上させるために、可変半径トラックジェットを用いた改善されたbタギングを活用。
• 断面積の上限を、ベンチマークモデルにおける結合定数スケール（gF、gH）、tanβ、cos(β−α)などのモデルパラメータへの制約に変換。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 220 GeVから5 TeVの質量範囲において、Z′ → Zh 共鳴状態の生成断面積×分岐比の上限は何か？
• RQ2 改善されたbタギングおよびジェット再構成技術は、ννbb、ℓ±νbb、およびℓ⁺ℓ⁻bb最終状態における高質量共鳴状態に対する感度をどのように向上させるか？
• RQ3 2、3、4 TeVの共鳴状態質量におけるZ′およびW′ボソンの結合強度パラメータgFおよびgHの制約は何か？
• RQ4 CP奇性スカラー粒子A → Zhの崩壊チャネルにおいて、95%信頼水準の上限は何か？また、それらは2HDMシナリオにおけるtanβおよびcos(β−α)をどのように制約するか？
• RQ5 感度および質量到達範囲の観点で、前回のATLASおよびCMSの探索に比べて、本結果はどのように向上しているか？

主な発見

• ννbb、ℓ±νbb、およびℓ⁺ℓ⁻bb最終状態のいずれに対しても有意な過剰は観測されず、標準模型の予測と整合的である。
• Z′ → Zh の生成断面積の95%信頼水準上限は、300 GeVで0.9 pb、5 TeVで0.3 fbの範囲に分布する。
• gV = 1のHVTベンチマークモデルAでは、Z′質量が2.8 TeV未満の領域が除外される。gV = 3のモデルBでは、3.2 TeV未満の領域が除外される。
• W′ → Wh の生成断面積の95%信頼水準上限は、400 GeVで1.3 pb、5 TeVで0.4 fbの範囲に分布し、モデルA（gV = 1）では2.95 TeV未満、モデルB（gV = 3）では3.3 TeV未満のW′質量が除外される。
• CP奇性スカラーA → Zhに対しては、gggAおよびbbA生成断面積の95%信頼水準上限が220 GeVから2 TeVの範囲で0.6 pbから3 fbに分布し、Type-I、Type-II、レプトン特異的、フラップド2HDMにおけるtanβおよびcos(β−α)が制約される。
• 前回のATLAS結果と比較して、感度の向上は220 GeVで50%、5 TeVで400%に達し、主に向上したbタギングとより大きなデータセットによるものである。