[論文レビュー] Search for invisible Higgs boson production with the CMS detector at the LHC

Matthew Chasco|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CMS検出器が収集した √s = 7 TeV および 8 TeV の陽子-陽子衝突データ（それぞれ 5.1 fb⁻¹ および 19.6 fb⁻¹）を用いて、目に見えないヒッグスボソン崩壊の直接探索を提示する。分析は、Z → ℓ⁺ℓ⁻ + 目に見えないヒッグスの最終状態（ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 隠れたヒッグス）に焦点を当て、欠落横運動量と2つのレプトンを特徴として用い、125 GeV のヒッグスボソンに対して 95% 確信区間の上限として 75% を設定した。期待される上限は 91% である。

ABSTRACT

Results are presented for the search for invisible Higgs boson production using the full LHC dataset corresponding to integrated luminosity of 5.1 fb^-1 and 19.6 fb^-1 of proton-proton collision data at sqrt(s)= 7 TeV and 8 TeV (respectively) collected by the CMS detector. The invisible Higgs is searched for in final states of missing transverse energy, with two leptons from a recoiling Z boson. No significant excess is found beyond standard model predictions, and limits are obtained on the branching fraction of the Higgs boson to invisible particles.

研究の動機と目的

• LHCにおけるヒッグスボソンの目に見えない崩壊を、7および8 TeVの全データセットを用いて直接探査すること。
• ヒッグスボソンがダークマターまたは重力スカラーモードのような検出不能な粒子に崩壊する可能性があるという仮説を検証すること。これは、標準模型を超える新しい物理を示唆する。
• ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + H(目に見えない)のチャンネルを用いて、モデルに依存しない形でヒッグスボソンの目に見えない粒子への分岐比に上限を設定すること。
• Z → ℓ⁺ℓ⁻ + H(目に見えない)とZZの主要バックグラウンドの間で、運動量の違いを活かして信号を識別するため、横運動量変数 m_T における形状解析を用いて感度を向上させること。
• 105–145 GeV のヒッグス質量範囲にわたる目に見えないヒッグス崩壊の制約を求める。

提案手法

• 分析は、Zボソンが2つの電荷を帯びたレプトンに崩壊し、ヒッグスボソンが目に見えない形で崩壊して欠落横運動量を生成する ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 目に見えないヒッグスの最終状態を標的とする。
• 2つの分離したレプトン（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、または eμ）と顕著な欠落横運動量に基づいてイベントを選別し、QCDおよびトップクォークのバックグラウンドを抑制する追加要件を設ける。
• Z → ℓ⁺ℓ⁻ + H(目に見えない)とZZの最終状態の間の運動論的差を活かすために、横運動量 m_T を識別変数として用いる。m_T は、m_T² = (E_T,ℓℓ + E_T,miss)² - |p_T,ℓℓ + p_T,miss|² で定義される。
• バックグラウンドは、POWHEG、MadGraph、PYTHIA を用いたモンテカルロシミュレーションでモデル化され、直交領域における制御サンプルを用いたデータ駆動型手法によって検証される。
• 系統的不確実性は、対数正規分布の事前分布を用いて伝搬され、主な要因としてPDF、QCDスケールの変動、有効照射量、レプトン再構築効率が含まれる。
• 95% 確信区間における目に見えない分岐比の上限を設定するために、プロファイル尤度検定統計量を用いた修正された頻度主義的CL_S法が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の生成率を仮定した場合、ヒッグスボソンの目に見えない粒子への分岐比の上限は何か？
• RQ2 7および8 TeVのLHCデータを用いて、ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 目に見えない最終状態における目に見えないヒッグス崩壊の直接的信号を観測できるか？
• RQ3 横運動量 m_T 変数は、主要なZZバックグラウンドとZ → ℓ⁺ℓ⁻ + H(目に見えない)信号を区別する上でどの程度有効か？
• RQ4 105から145 GeVのヒッグス質量範囲にわたる目に見えないヒッグス崩壊に対する制約は何か？
• RQ5 特にPDFおよびQCDスケールの変動に起因する系統的不確実性は、目に見えない分岐比の最終的な上限にどのように影響するか？

主な発見

• 観測データには、標準模型の予測を超える顕著な過剰は観測されず、観測収量はバックグラウンドのみの予測と整合的であった。
• 125 GeV のヒッグスボソンに対して、観測された 95% 確信区間の上限は 75% であり、期待される上限は 91% であった。
• ヒッグス質量が上昇するに従い、目に見えない分岐比の上限も上昇し、145 GeV では観測値が 85%、期待値が 105% に達した。
• 横運動量 m_T は、運動論的変数の中で最も高い感度を示し、各ヒッグス質量点において期待される上限を最低にした。
• 系統的不確実性の主な要因は理論的要因であり、特にW±ZおよびZZ過程におけるQCDスケールの変動とPDFの不確実性が支配的であった。
• 直交領域（ee、μμ、eμ）における制御サンプルを用いた手法により、スケール要因として α_μμ ≈ 0.6 および α_ee ≈ 0.4 が得られ、bタグ効果を考慮して25%の不確実性が割り当てられた。