[論文レビュー] Search for pair production of Higgs bosons in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state using proton--proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ATLAS検出器を用いて、$√{s} = 13$ TeVの$pp$衝突データ（3.2 fb$^{-1}$）を用い、$b\bar{b}b\bar{b}$最終状態におけるヒッグス粒子対生成の探索を報告する。解体的およびブースト状の$b$-ジェット再構成手法を併用することで、$hh$生成断面積にBrをかけた量に対する上限が設定され、非共鳴状態の生成は95%信頼水準で1.22 pb未満、共鳴状態のカルツァ＝クライン重力子生成は600–3000 GeVの質量範囲で24–91 fbに制限される。

ABSTRACT

A search for Higgs-boson pair production in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state is carried out with 3.2 fb$^{-1}$ of proton--proton collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector. The data are consistent with the estimated background and are used to set upper limits on the production cross section of Higgs-boson pairs times branching ratio to $b\bar{b}b\bar{b}$ for both nonresonant and resonant production. In the case of resonant production of Kaluza--Klein gravitons within the Randall--Sundrum model, upper limits in the 24 to 91 fb range are obtained for masses between 600 and 3000 GeV, at the 95% confidence level. The production cross section times branching ratio for nonresonant Higgs-boson pairs is also constrained to be less than 1.22 pb, at the 95% confidence level.

研究の動機と目的

• 13 TeVの陽子-陽子衝突を用いて、$b\bar{b}b\bar{b}$最終状態における非共鳴状態および共鳴状態のヒッグス粒子対生成の探索を行う。
• 以前の8 TeVデータと比較して、$√{s} = 13$ TeVでの生成断面積が増加することを活用し、高質量共鳴状態への感度を向上させる。
• ブースト状の解析において、大半径ジェットと小半径トラックジェットを用いて、高エネルギーのヒッグス粒子の検出効率を向上させる。
• 高エネルギー領域での$b$-ジェット識別効率の低下に対応するため、3つの$b$-タグ付きジェットチャンネルを導入することで、2000 GeV以上の共鳴状態への感度を拡張する。
• 非共鳴状態および共鳴状態の両方の状況において、$hh$生成断面積にBrをかけた量の95%信頼水準における上限を設定する。

提案手法

• 2段階の解析戦略を採用：低質量$hh$系では4つの明確な$b$-ジェットが分解可能な「解体的」解析と、高質量系では$b$-ジェットが大半径ジェットに融合する「ブースト」解析。
• 高エネルギーのヒッグス粒子を再構成するために、大半径ジェット（anti-$k_t$、$R=1.0$）を用い、$b$-ハドロンタグには小半径トラックジェット（$R=0.3$）を併用する。
• 信号と支配的である$t\bar{t}+\text{j}$および$gg\to b\bar{b}$背景を区別するため、高度な$b$-ジェットタグアルゴリズムと運動量再構成技術を適用する。
• 信号対背景の分離を向上させるために、複数変数解析（MVA）を用い、運動量およびトポロジー変数を統合する。
• 観測データに対してプロファイル尤度推定を実行し、95%信頼水準における信号断面積の上限を設定する。
• 高質量共鳴状態への感度向上を図るため、ブースト解析に新しい3つの$b$-タグ付きチャンネルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $√{s} = 13$ TeVにおける非共鳴状態のヒッグス粒子対生成断面積にBrをかけた量の上限は、$b\bar{b}b\bar{b}$最終状態でどの程度か？
• RQ2 ランダム・サンダースムのモデルにおけるカルツァ＝クライン重力子を想定した場合、ランダム・サンダースムのモデルにおける共鳴状態のヒッグス粒子対生成感度は、質量に応じてどのように変化するか？
• RQ3 ブースト解析に3つの$b$-タグ付きチャンネルを組み込むことで、高質量共鳴状態への感度はどの程度向上するか？
• RQ4 解体的解析とブースト解析の両方の戦略が、$hh$質量スペクトル全体にわたってどのように感度を発揮するか？
• RQ5 8 TeVと比較して、13 TeVにおける小半径トラックジェットの半径を小さくし、更新された$b$-タグ技術を用いることで、どの程度の感度向上が見込まれるか？

主な発見

• 観測データは期待される背景と整合しており、$b\bar{b}b\bar{b}$最終状態に顕著な過剰は観測されなかった。
• 非共鳴状態の$hh$生成断面積にBrをかけた量の上限は、95%信頼水準で1.22 pbに設定された。
• ランダム・サンダースムのモデルにおけるカルツァ＝クライン重力子の共鳴状態生成に関しては、600 GeVで24 fb、3000 GeVで91 fbの上限が95%信頼水準で設定された。
• ブースト解析において3つの$b$-タグ付きチャンネルを導入したことで、高エネルギー領域（2000 GeV以上）の共鳴状態への感度が向上し、高$p_T$領域における$b$-タグ効率の低下を補填した。
• $hh$質量が1100 GeV未満の領域では、解体的解析がブースト解析よりも高い感度を示したため、質量領域に応じて異なる戦略を採用することが正当化された。
• 13 TeVにおける8 TeVへの全体的な感度向上は顕著であり、特に高質量領域で顕著であった。これは、生成断面積の増加と、改善されたジェット再構成技術によるものである。