[論文レビュー] Search for resonant and non-resonant Higgs boson pair production in the $b\bar b au^+ au^-$ decay channel using 13 TeV $pp$ collision data from the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LHCのATLAS実験が取得した13 TeVのpp衝突データ139 fb$^{-1}$ を用いて、$b\bar{b}\tau^+\tau^-$最終状態における非共鳴的および共鳴的ヒッグスボソン対生成を探索する。高度な多次元変数技術と改善された $\tau$-ハドロンおよび $b$-ジェット再構築を用いて、非共鳴的ヒッグス対生成の断面積に対する観測（予想）95%信頼区間上限を、標準模型予測の4.7（3.9）倍に設定し、共鳴的生成については、共鳴質量に応じて21–900 fb（12–840 fb）の範囲で上限を設定した。

ABSTRACT

A search for Higgs boson pair production in events with two $b$-jets and two $τ$-leptons is presented, using a proton-proton collision dataset with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected at $\sqrt{s}=13$ TeV by the ATLAS experiment at the LHC. Higgs boson pairs produced non-resonantly or in the decay of a narrow scalar resonance in the mass range from 251 to 1600 GeV are targeted. Events in which at least one $τ$-lepton decays hadronically are considered, and multivariate discriminants are used to reject the backgrounds. No significant excess of events above the expected background is observed in the non-resonant search. The largest excess in the resonant search is observed at a resonance mass of 1 TeV, with a local (global) significance of $3.1σ$ ($2.0σ$). Observed (expected) 95% confidence-level upper limits are set on the non-resonant Higgs boson pair-production cross-section at 4.7 (3.9) times the Standard Model prediction, assuming Standard Model kinematics, and on the resonant Higgs boson pair-production cross-section at between 21 and 900 fb (12 and 840 fb), depending on the mass of the narrow scalar resonance.

研究の動機と目的

• 主な目的は、Run 2の全データセットを用いて、$b\bar{b}\tau^+\tau^-$崩壊チャンネルにおける非共鳴的および共鳴的ヒッグスボソン対生成を探索することである。
• 信号選別とバックグラウンド抑制を最適化することで、非共鳴的 $HH$ 生成の感度を向上させることを目的とする。
• 251から1600 GeVの間の質量を有する狭いスカラー共鳴状態による $HH$ 共鳴的生成断面積の厳密な上限を設定することを目的とする。
• 標準模型の $HH$ 生成断面積が小さいという課題に対処するため、再構築および識別技術の向上を図ること。
• ヒッグス自己結合定数の検証および標準模型を超える新しい物理の探査に貢献すること。

提案手法

• 分析では、ATLAS検出器が収集した $\sqrt{s} = 13$ TeVのpp衝突データ139 fb$^{-1}$ を使用する。
• 2つの $b$-ジェットおよび2つの $\tau$-レプトン（ハドロン的およびレプトン的 $\tau$ 崩壊を含む）を有するイベントを選別する。
• 主なバックグラウンド、特に $\mathrm{t\bar{t}}$ および $\mathrm{VBF}$ プロセスと区別するため、多次元判別子を用いる。
• $\tau$-ハドロンおよび $b$-ジェットの高度な再構築および識別技術を適用し、信号感度を向上させる。
• 断面積の95%信頼区間上限を設定するために、プロファイル尤度検定統計量および修正頻度的CLs法を用いる。
• システムティック不確実性は、データ駆動手法およびシミュレーション補正を用いて評価し、新規の偽$\tau_{\text{had}}$推定技術も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全Run 2データセットを用いた場合、$b\bar{b}\tau^+\tau^-$最終状態における非共鳴的ヒッグスボソン対生成の観測感度はどの程度か？
• RQ2 251から1600 GeVの間の質量を有する狭いスカラー共鳴状態による共鳴的ヒッグスボソン対生成断面積に対する上限は何か？
• RQ3 $\tau$-ハドロンおよび $b$-ジェット再構築の改善が、以前の探索と比較して感度をどのように向上させるか？
• RQ4 共鳴的探索において観測された過剰な信号の有意水準は何か？また、バックグラウンドのみの仮説と比較するとどうなるか？
• RQ5 今回の上限は、感度およびカバー範囲の観点で、以前のATLASおよびCMSの結果と比較してどうなるか？

主な発見

• 非共鳴的ヒッグスボソン対生成探索において、有意な過剰は観測されず、バックグラウンドのみの仮説と整合的である。
• 非共鳴的 $HH$ 生成断面積に対する観測（予想）95%信頼区間上限は、それぞれ標準模型予測の4.7（3.9）倍である。
• 共鳴的探索における最大の局所的（グローバル）有意水準は、共鳴質量1 TeVで3.1$\sigma$（2.0$\sigma$）であった。
• 共鳴的 $HH$ 生成断面積に対する観測（予想）上限は、共鳴質量に応じて21から900 fb（12から840 fb）の範囲にわたる。
• 本探索は、これまでに報告された個別の探索の中で、非共鳴的 $HH$ 生成に対する最高の期待感度を達成した。
• 共鳴的 $HH$ 生成に対する上限は、調査された質量範囲の大部分において、最新のATLASおよびCMSの組み合わせ結果と同等またはより厳密である。