[論文レビュー] Search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light pseudoscalar particle decaying to two photons

G. Aad, B. Abbott+2935 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、光子2個に崩壊する軽い擬スカラー粒子（a）とZボソンに崩壊するヒッグスボソンの最初の探索を報告する。139 fb⁻¹のLHCラン2データを用いて、統合済みおよび解体された光子再構成カテゴリを採用し、バックグラウンドからの著しい逸脱は観測されず、0.1–33 GeVのa質量範囲でH→Za×Br(a→γγ)の95%信頼水準上限が0.08%から2%の間で設定された。

ABSTRACT

A search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light, pseudoscalar particle, $a$, decaying respectively to two leptons and to two photons is reported. The search uses the full LHC Run 2 proton-proton collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, corresponding to 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector. This is one of the first searches for this specific decay mode of the Higgs boson, and it probes unexplored parameter space in models with axion-like particles (ALPs) and extended scalar sectors. The mass of the $a$ particle is assumed to be in the range 0.1-33 GeV. The data are analysed in two categories: a merged category where the photons from the $a$ decay are reconstructed in the ATLAS calorimeter as a single cluster, and a resolved category in which two separate photons are detected. The main background processes are from Standard Model $Z$ boson production in association with photons or jets. The data are in agreement with the background predictions, and upper limits on the branching ratio of the Higgs boson decay to $Za$ times the branching ratio $a o\gamma\gamma$ are derived at the 95% confidence level and they range from 0.08% to 2% depending on the mass of the $a$ particle. The results are also interpreted in the context of ALP models.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンのこれまで未探索の崩壊モード H→Za（aは2個の光子に崩壊する軽い擬スカラー）を調査すること。
• axion-like粒子（ALPs）および拡張されたヒッグス系を含むモデルにおけるパラメータ空間を探索すること。
• 完全なラン2 LHCデータを用いて、H→Za×Br(a→γγ)の分岐比に制約を課すこと。
• 軽い擬スカラーがミュオンのg−2のずれといった異常を説明する可能性を検討すること。
• 統合済みおよび解体された光子トポロジーを両方考慮することで、ヒッグスボソンのレア崩壊探索における感度を向上させること。

提案手法

• 2015–2018年にATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子–陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いる。
• 2つのイベントカテゴリを分析する：統合済み（光子がコアラメータで1つのクラスタを形成）および解体（2つの明確な光子が検出される）。
• Z→ℓℓからのレプトンおよびa→γγからの光子のための高度な再構成技術を採用し、インバリアント質量再構成と運動量選別を含む。
• 検出器応答をモデル化しバックグラウンドを推定するために、シミュレーテッド信号およびバックグラウンドサンプル（例：Z+jets、Z+γ、γγ+jets）を用いる。
• 多変量解析手法および信号領域最適化を適用して、希少ヒッグス崩壊への感度を向上させる。
• 統計的仮説検定を実施し、信号強度の95%信頼水準上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1–33 GeVの質量範囲における軽い擬スカラーを含むH→Za→Zγγ崩壊モードに対して、ATLAS実験の感度はどの程度か？
• RQ2 統合済みおよび解体された光子再構成戦略が、この探索における信号効率およびバックグラウンド排斥に与える影響は？
• RQ3 異なるa質量におけるH→Za×Br(a→γγ)の95%信頼水準での分岐比上限は何か？
• RQ4 結果はaxion-like粒子（ALPs）および拡張されたヒッグス系を含むモデルにどのように制約を課すか？
• RQ5 標準模型予測を超えて、H→Za→Zγγ最終状態に新しい物理の証拠は存在するか？

主な発見

• 統合済みおよび解体された光子カテゴリの両方で、標準模型バックグラウンドからの著しい過剰は観測されなかった。
• Br(H→Za)×Br(a→γγ)の製品分岐比に対する95%信頼水準上限が設定され、0.1–33 GeVのa質量範囲で0.08%から2%の間で変動した。
• 特に10–15 GeVのa質量付近で最も厳しい上限が達成され、約0.15%であった。
• 特定のa質量に対して、Br(H→Za)×Br(a→γγ)が0.08%にまで低い信号モデルに対しても感度を発揮した。
• 結果はaxion-like粒子モデルの文脈で解釈され、これまで未探索のパラメータ空間の広い領域が除外された。
• 本分析は、ヒッグス崩壊における低質量擬スカラーをプローブするための統合済み光子再構成の有効性を示した。