[論文レビュー] Search for nonresonant Higgs boson pair production in final state with two bottom quarks and two tau leptons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2389 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、13 TeVの陽子-陽子衝突において、非共鳴状態のヒッグスボソン対生成を探索し、138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、2つの bottom クォークと2つのタウレプトンを含む最終状態に注目する。高度な機械学習技術、特に DEEPTAU および DEEPJET アルゴリズムを用いることで、異常なヒッグス結合に対する厳しい制約が得られ、95%信頼水準においてヒッグス自己結合定数が標準模型予測の−1.7から8.7倍の範囲に制限される。

ABSTRACT

A search for the nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two tau leptons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ =13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events in which at least one tau lepton decays hadronically are considered and multiple machine learning techniques are used to identify and extract the signal. The data are found to be consistent, within uncertainties, with the standard model (SM) predictions. Upper limits on the HH production cross section are set to constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level corresponds to 3.3 (5.2) times the SM prediction for the inclusive HH cross section and to 124 (154) times the SM prediction for the vector boson fusion \HH cross section. At 95% confidence level, the Higgs field self-coupling is constrained to be within -1.7 and 8.7 times the SM expectation, and the coupling of two Higgs bosons to two vector bosons is constrained to be within -0.4 and 2.6 times the SM expectation.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突でのグルーオン-グルーオン融合およびベクトルボソン崩壊（VBF）による非共鳴状態ヒッグスボソン対（HH）生成の探査。
• 異常な結合定数によるずれを制約することで、ヒッグス自己結合の標準模型予測の検証。
• mH = 125 GeVのとき7.3%の分岐比を示すbbττ最終状態を用いて、HH生成への感度を向上。
• 信号の識別とバックグラウンド抑制のため、高度な機械学習モデルおよび改良された再構成アルゴリズム（DEEPTAU、DEEPJET）を活用。
• 標準模型を超える新しい物理のパラメータ空間を制約するため、HH生成断面積の上限を設定。

提案手法

• 2016–2018年の間、CMS検出器が収集した√s = 13 TeVにおける138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• DEEPTAUおよびDEEPJETを含む複数の機械学習技術を用いて、H → bb崩壊に由来するハドロン的崩壊を示すタウレプトンおよびb ジェットを同定。
• 2つの bottom クォークと2つのタウレプトンを含む最終状態を分析し、τµτh、τeτh、τhτhの崩壊モードを含め、タウ-タウ崩壊の87.6%をカバー。
• 多変量解析および行列要素法を用いたイベントのカテゴリゼーションと信号抽出により、バックグラウンドから信号を区別。
• 主にQCDマルチジェットおよび半レプトン的チャネルにおけるtt¯が支配的であるバックグラウンドを、制御領域とシミュレーションを用いて推定。
• 標準模型の断面積予測には次々に高次の（NNLO）精度計算を用い、95%信頼水準における上限を設定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるbbττ最終状態での非共鳴状態ヒッグスボソン対生成断面積の上限は何か？
• RQ2 異常なヒッグスボソン結合定数は、bbττチャンネルにおけるHH生成率および運動量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 機械学習技術は、複雑な最終状態における希少なHH生成への感度をどの程度向上させ得るか？
• RQ4 ヒッグス自己結合定数およびVVHH結合定数の制約は、標準模型の予測と比べてどうなっているか？
• RQ5 特徴的なトポロジーを示すVBF HH生成モードは、bbττ最終状態においてどの程度の感度を示すか？

主な発見

• データは標準模型の予測と整合的であり、bbττ最終状態に顕著な過剰は観測されなかった。
• 95%信頼水準における包括的HH生成断面積の観測（予想）上限は、それぞれSM予測の3.3（5.2）倍であった。
• ベクトルボソン崩壊（VBF）チャンネルでは、観測（予想）上限がそれぞれSM予測の124（154）倍であった。
• ヒッグス場の自己結合定数は、95%信頼水準においてSM予測の−1.7から8.7倍の範囲に制限された。
• 2つのヒッグスボソンが2つのベクトルボソンに結合する結合定数は、95%信頼水準においてSM予測の−0.4から2.6倍の範囲に制限された。
• より大きなデータサンプル、向上したトリガー戦略、および高度な多変量機械学習技術のおかげで、以前の結果よりも感度が向上した。