[論文レビュー] Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2352 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突において、CMSが取得した138 fb⁻¹のデータを用いて、ヒッグスボソンがZボソンと光子に崩壊する過程（H → Zγ）の探索を報告する。生成メカニズムに基づいてイベントをカテゴリ化し、多変量解析を用いて感度を向上させることで、信号強度μ = 2.4 ± 0.9を測定し、これはσ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pbに相当し、局所的有意水準は2.7σであった。また、分岐比の比B(H → Zγ)/B(H → γγ) = 1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶を報告しており、これは1.5σの有意水準で標準模型と整合的である。

ABSTRACT

Results are presented from a search for the Higgs boson decay H$ o$Z$\gamma$, where Z$ o\ell^+\ell^-$ with $\ell$ = e or $\mu$. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strength $\mu$, defined as the product of the cross section and the branching fraction [$\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$] relative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the $\ell^+\ell^-\gamma$ invariant mass distributions in all categories and is found to be $\mu$=2.4$\pm$0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to $\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$ = 0.21$\pm$0.08 pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level on $\mu$ is 4.1 (1.8). The ratio of branching fractions $\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)/\mathcal{B}($H$ o\gamma\gamma)$ is measured to be 1.5$^{+0.7}_{-0.6}$, which agrees with the standard model prediction of 0.69 $\pm$ 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

研究の動機と目的

• 13 TeVの陽子-陽子衝突において、希少なヒッグス崩壊過程H → Zγ（Z → ℓ⁺ℓ⁻）の探索を行う。
• H → Zγの分岐比の精密な測定と、H → γγとの比を用いて、標準模型を越える物理学を探る。
• ヒッグス生成メカニズム（ggF、VBF、VH、ttH）に応じてイベントをカテゴリ化することで感度を向上させる。
• 信号強度μ = σ(pp → H)B(H → Zγ)/σ_SM(pp → H)B_SM(H → Zγ)を測定し、標準模型の予測と整合性があるかを検証する。

提案手法

• 分析には、CMS実験が収集した13 TeVのpp衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• イベントは、追加のレプトン（W/Zやトップクォークの崩壊からのもの）、ジジェット運動量（VBF用）、およびℓ⁺ℓ⁻γのインヴァリアント質量トポロジーに基づいてカテゴリに分類される。
• 多変量解析（MVA）の判別子は、各カテゴリで背景と信号を区別するために訓練され、運動量の違いを活用する。
• 全カテゴリにわたるℓ⁺ℓ⁻γインヴァリアント質量分布に対して、同時に最尤フィットを実行し、信号強度と制限を抽出する。
• バックグラウンドはDrell–Yan + γおよびDrell–Yan + ジェットからモデル化され、誤識別された光子やレプトンを含む。
• 信号およびバックグラウンドモデルの系統的不確実性は、検出器効果、ジェットエネルギースケール、光子識別を含めて評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVのpp衝突において、ヒッグスボソンの崩壊H → Zγは観測されたか。また、その信号強度は標準模型の予測に対してどのように相対的に評価されるか。
• RQ2 分岐比の比B(H → Zγ)/B(H → γγ)の測定値は何か。また、標準模型の予測と比較するとどうなるか。
• RQ3 ℓ⁺ℓ⁻γインヴァリアント質量分布における観測された過剰は、バックグラウンドのみの仮説で説明可能か。
• RQ4 95%信頼水準におけるσ(pp → H)B(H → Zγ)の上限は、観測値と期待値でそれぞれどのようになるか。
• RQ5 異なるヒッグス生成メカニズムにおける検出感度はどのように変化するか。

主な発見

• 信号強度はμ = 2.4 ± 0.9として測定され、バックグラウンドのみの仮説に対して2.7σの局所的有意水準の過剰が示された。
• 観測された(pp → H)の断面積と分岐比の積はσ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pbであった。
• バックグラウンドのみの仮説下で、観測された（期待された）95%信頼水準におけるμの上限は4.1（1.8）であった。
• 分岐比の比B(H → Zγ)/B(H → γγ)は1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶として測定され、標準模型の予測値0.69 ± 0.04と1.5σの有意水準で整合的であった。
• 生成トポロジーに応じてイベントをカテゴリ化し、MVA判別子を用いてバックグラウンドを抑制することで、感度が向上した。
• 結果は標準模型と整合的であり、希少なヒッグス崩壊およびH → Zγチャネルにおける新しい物理の厳密なテストを提供している。