[論文レビュー] Search for Higgs Boson Decay to a Charm Quark-Antiquark Pair in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2378 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、CMS実験が収集した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突においてヒッグスボソンが charm クォーク-反クォーク対への崩壊（H → cc）を探索する。高度な機械学習に基づく charm ジェット識別法と新規の解析手法を用いて、ヒッグス-charm ヤウカフ定数に対するこれまでで最も厳しい制限を設定し、観測（予想）95%信頼水準上限は |κc| < 5.5（|κc| < 3.4）であり、これは標準模型予測の14（7.6+3.4−2.3）倍に相当する。

ABSTRACT

A search for the standard model Higgs boson decaying to a charm quark-antiquark pair, H $ o \mathrm{c\bar{c}}$, produced in association with a leptonically decaying V (W or Z) boson is presented. The search is performed with proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Novel charm jet identification and analysis methods using machine learning techniques are employed. The analysis is validated by searching for Z $ o \mathrm{c\bar{c}}$ in VZ events, leading to its first observation at a hadron collider with a significance of 5.7 standard deviations. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(VH)$\mathcal{B}$(H$ o \mathrm{c\bar{c}}$) is 0.94 (0.50$^{+0.22}_{-0.15}$) pb at 95% confidence level (CL), corresponding to 14 (7.6$^{+3.4}_{-2.3}$) times the standard model prediction. For the Higgs-charm Yukawa coupling modifier, $\kappa_\mathrm{c}$, the observed (expected) 95% CL interval is 1.1 $\lt\vert\kappa_\mathrm{C}\vert \lt$ 5.5 ($\vert\kappa_\mathrm{c}\vert\lt$ 3.4), the most stringent constraint to date.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における VH 連関生成における標準模型ヒッグスボソンが charm クォーク-反クォーク対への崩壊（H → cc）を探索すること。
• 密度の高い QCD 環境における charm ジェットの識別および bottom クォークジェットとの区別という課題を克服すること。
• 機械学習に基づくジェット再構築および識別技術を用いて感度を向上させること。
• 標準模型を超える領域におけるヒッグス-charm ヤウカフ定数修正係数 κc に対する、これまでで最も厳しい実験的制約を設定すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb⁻¹ を使用する。
• 小半径（R = 0.4）および大半径（R = 1.5）の2種類のジェットを用い、積層（pileup）低減にチャージドハドロン削除および PUPPI アルゴリズムを適用する。
• PF候補および二次頂点を用いて、グラフニューラルネットワーク（PARTICLENET）を適用し、大半径ジェットの質量分解能を約50%向上させる。
• 機械学習に基づく charm ジェット識別法を用いて、マージドジェットおよびリゾルブドジェットのトポロジーにおける信号感度を向上させる。
• 互いに排他的な3つのチャンネル（0L：Z → νν、1L：W → ℓν、2L：Z → ℓℓ）を分析し、イベント選別にはトリガーおよび分離基準を適用する。
• NLOおよびNNLO QCD + NLO EW 精度のイベントジェネレータを用いて信号モデル化を行い、検出器応答は GEANT4 を用いてシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける13 TeVでの VH 連関生成におけるヒッグスボソンが charm クォークへの崩壊（H → cc）を探索する際、CMS実験の感度はどの程度か？
• RQ2 高多重度環境下における機械学習ベースのジェット識別技術は、light クォークジェットおよび bottom クォークジェットと比較して、charm ジェットをどれほど効果的に識別できるか？
• RQ3 95%信頼水準における生産断面積 σ(VH) と崩壊分岐比 B(H → cc) の積の観測上限は何か？
• RQ4 この解析によって、標準模型予測と比較してヒッグス-charm ヤウカフ定数修正係数 κc にどのような制約が与えられるか？
• RQ5 ハドロン衝突型加速器において、高度なジェット再構築および識別技術を用いて、Z → cc 崩壊モードを VZ イベントで観測できるか？

主な発見

• 本研究では、ハドロン衝突型加速器で初めて Z → cc 崩壊モードが観測され、5.7標準偏差の有意性を示した。
• σ(VH) × B(H → cc) に対する観測（予想）95%信頼水準上限は、それぞれ 0.94（0.50+0.22−0.15）pb であった。
• ヒッグス-charm ヤウカフ定数修正係数の観測（予想）95%信頼水準区間は 1.1 < |κc| < 5.5（|κc| < 3.4）であり、これはこれまでで最も厳しい制約である。
• 従来のグルーミング技術と比較して、PARTICLENETに基づく回帰アルゴリズムを用いることで、大半径ジェットの質量分解能が約50%向上した。
• マージドジェットトポロジーは信号断面積の5%未満にとどまるが、ブーストされたヒッグスボソンの再構築効率が向上しているため、重要な感度貢献を示した。
• 本研究は、H → cc 探索における感度の新たなベンチマークを確立し、予想状況において標準模型に対する信号強度の上限を約7.6倍まで低減した。