[論文レビュー] Search for Nonresonant Pair Production of Highly Energetic Higgs Bosons Decaying to Bottom Quarks

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2396 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、LHCのCMS実験が取得した13 TeV陽子陽子衝突データ138 fb⁻¹を用い、グルーオンおよびベクトルボソン融合による非共鳴的ヒッグスボソン対生成を、4つの bottom クォークの最終状態で探索する。ブーストされたヒッグスジェットの再構築にグラフニューラルネットワークを用いることで、標準模型以外のカップリング状況として重要なκ²V = 0（VVHH四次カップリングがゼロ）の状況が6.3標準偏差の有意水準で除外され、これは初めての直接的除外である。

ABSTRACT

A search for nonresonant Higgs boson (H) pair production via gluon and vector boson (V) fusion is performed in the four-bottom-quark final state, using proton-proton collision data at 13 TeV corresponding to 138 fb$^{-1}$ collected by the CMS experiment at the LHC. The analysis targets Lorentz-boosted H pairs identified using a graph neural network. It constrains the strengths relative to the standard model of the H self-coupling and the quartic VVHH couplings, $\kappa_{2V}$, excluding $\kappa_{2V}$ = 0 for the first time, with a significance of 6.3 standard deviations when other H couplings are fixed to their standard model values.

研究の動機と目的

• グルーオンおよびベクトルボソン融合を介した非共鳴的ヒッグスボソン対生成を、4つの bottom クォークの最終状態で探査すること。
• 標準模型に対するVVHH四次カップリング（κ²V）の強さを制約すること。
• 特にTeVスケールの擬似ゴールドストーンヒッグスボソンを有するモデルをテストし、ヒッグス自己カップリングおよびVVHHカップリングを変更したモデルを検証すること。
• 高度なジェット再構築技術を用いて、非常にブーストされた状態における信号感度を向上させること。

提案手法

• LHCのCMS実験が取得した13 TeV陽子陽子衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• ブーストされたH → bb崩壊に由来する大半径ジェットを特定するために、グラフニューラルネットワーク（ParticleNet）を適用し、質量再構築に依存せずに信号純度を向上させる。
• グルーオン融合（ggF）またはベクトルボソン融合（VBF）生成をターゲットとするカテゴリにイベントを分離し、VBFの場合は前方に位置する小半径ジェットが2つ必要となる。
• 主要なバックグラウンド（QCDマルチジェットおよびトップクォーク対（tt̄）生成）を推定するために、専用のデータ駆動型手法を採用する。
• 信号およびバックグラウンドのシミュレート標本にNLO/NNLOの精度を適用し、非標準模型のカップリングに特化した修正係数（κλ、κV、κ²V）を含める。
• 積層物の低減技術、ジェットエネルギー補正、および未検出横方向運動量の再構築を適用し、イベント解像度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVで、ggFおよびVBFを介した非共鳴的ヒッグスボソン対生成がbbbb最終状態で観測可能か？
• RQ2 CMS実験は、標準模型からのVVHH四次カップリング（κ²V）のずれに対してどの程度感度を持つか？
• RQ3 高密度ジェット環境下で、グラフニューラルネットワークはブーストされたH → bb崩壊の特定にどの程度効果的か？
• RQ4 VBFチャンネルは、例えば擬似ゴールドストーンヒッグスを有するモデルにおけるVVHHカップリングがゼロの状況を調べるのに有効か？
• RQ5 非共鳴的HH生成の文脈において、κ²V = 0を除外する有意水準は何か？

主な発見

• 他のヒッグスカップリングがすべて標準模型の値に固定されている場合、VVHH四次カップリングがゼロ（κ²V = 0）の状況は6.3標準偏差の有意水準で除外された。
• 本調査は、TeVスケールに擬似ゴールドストーンヒッグスを有するモデルの主要予測であるκ²V = 0の状況を、初めて直接的に除外した。
• グラフニューラルネットワーク（ParticleNet）は、質量再構築に依存せず、ブースト状態における信号純度を顕著に向上させた。
• κ²V = 0の観測された有意水準は5σの閾値を超えており、これは発見水準の除外を示している。
• 信号領域では、他のカップリング修正係数すべてに対して標準模型と整合的であり、新物理の証拠は観測されなかった。
• 本分析は、主に重複しない位相空間をカバーするため、従来のブーストされていないbbbb探索と補完的であり、非共鳴的HH生成全体の感度を向上させた。