[論文レビュー] Search for Higgs bosons decaying to $aa$ in the $μμττ$ final state in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = $ 8 TeV with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて2023年8テル爆発エネルギー（√s = 8 TeV）のpp衝突データ20.3 fb⁻¹を用い、ヒッグス粒子が2つの軽い擬スカラー粒子（a）に崩壊する過程をμμττ最終状態で探索した。有意な過剰は観測されず、mₐ = 3.75 GeVのとき、SM gg → h に対するh → aa 生成の上限は3.5%である。また、mₐ = 5 GeV、mₕ が100から500 GeVの範囲で、H → aa の断面積に対する上限は0.72〜2.33 pbの範囲にわたる。

ABSTRACT

A search for the decay to a pair of new particles of either the 125 GeV Higgs boson ($h$) or a second CP-even Higgs boson ($H$) is presented. The dataset correspods to an integrated luminosity of 20.3 fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=$ 8 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC in 2012. The search was done in the context of the next-to-minimal supersymmetric standard model, in which the new particles are the lightest neutral pseudoscalar Higgs bosons ($a$). One of the two $a$ bosons is required to decay to two muons while the other is required to decay to two $τ$-leptons. No significant excess is observed above the expected backgrounds in the dimuon invariant mass range from 3.7 GeV to 50 GeV. Upper limits are placed on the production of $h ightarrow{aa}$ relative to the Standard Model $gg ightarrow{h}$ production, assuming no coupling of the $a$ boson to quarks. The most stringent limit is placed at 3.5\% for $m_a =$ 3.75 GeV. Upper limits are also placed on the production cross section of $H ightarrow{aa}$ from 2.33 pb to 0.72 pb, for fixed $m_a$ = 5 GeV with $m_H$ ranging from 100 GeV to 500 GeV.

研究の動機と目的

• 次に最小の超対称標準模型（NMSSM）の文脈において、ヒッグス粒子が2つの軽い擬スカラー粒子（a）に崩壊する過程を探索すること。
• ミューオンとタウレプトンに崩壊する軽い擬スカラー粒子（a）の存在を調べ、標準模型を超える新しい物理に敏感なシグネチャを提供すること。
• aがクォークと結合しないという仮定の下で、125 GeVのヒッグス粒子が2つの軽いaボソンに崩壊する分支比の制約を設けること。
• さまざまなヒッグス粒子質量を想定した、より重いCP偶性ヒッグス粒子（H）が2つのaボソンに崩壊する生成断面積の上限を設定すること。

提案手法

• 本分析では、2012年にATLAS実験が収集した20.3 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データ（√s = 8 TeV）を用いた。
• 最終状態に2つのミューオンと2つのタウレプトンを持つイベントを選別し、二重ミューオンのインバリアント質量を用いてaボソンの質量領域を調査した。
• aボソンが最も軽い中性の擬スカラー粒子であり、一方がμμに、他方がττに崩壊するというNMSSMの枠組みで解析を実施した。
• Drell-Yan、トップクォーク対、ベクトルボソン融合などの標準模型過程からのバックグラウンドは、モンテカルロシミュレーションとデータ駆動手法を用いて推定した。
• 信号領域は、二重ミューオンのインバリアント質量が3.7 GeVから50 GeVの間にある条件で定義した。これはaボソンの質量範囲に対応する。
• システムティックな不確実性（バックグラウンドおよび信号モデル）を適切に取り入れた上で、プロファイル尤度比検定を用いて信号生成の上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグス粒子が、μμττ最終状態で2つの軽い擬スカラー粒子（a）に崩壊する分支比の上限は何か？
• RQ2 3.7 GeVから50 GeVの二重ミューオン質量窓で信号が観測されなかったことにより、軽いaボソンのNMSSMパラメータ空間はどのように制約されるか？
• RQ3 mₐ = 5 GeVで固定し、mₕ を100から500 GeVの範囲で変化させた場合、より重いCP偶性ヒッグス粒子（H）が2つのaボソンに崩壊する生成断面積の上限は何か？
• RQ4 aボソンがクォークと結合しない場合、μμττ最終状態は、異常なヒッグス崩壊に対してどれほど感度が高いか？
• RQ5 SM gg → h に対するh → aa 生成の上限として、最も厳しい値は何か？また、その上限はどのaボソン質量で達成されたか？

主な発見

• 3.7 GeVから50 GeVの二重ミューオンインバリアント質量範囲で、予想される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なかった。
• mₐ = 3.75 GeVのとき、SM gg → h に対するh → aa 生成の上限として、最も厳しい値は3.5%であった。
• mₐ = 5 GeVの場合、H → aa 生成断面積の上限は、ヒッグス粒子の質量（mₕ が100 GeVから500 GeV）に応じて0.72 pbから2.33 pbの範囲にわたった。
• aボソンがクォークと結合しないという仮定のもとで導出された結果であり、これは信号モデルを単純化し、感度を向上させた。
• 特にmₐ < 10 GeVの低質量領域において、以前の制約を改善した。
• 本分析は、NMSSMフレームワーク下で、軽いaボソンのμμττ最終状態におけるh → aa 崩壊に対して、これまでで最も厳しい上限を設定した。