[論文レビュー] Search for the exotic decay of the Higgs boson into two light pseudoscalars with four photons in the final state in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2336 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、CMS実験が √s = 13 TeV で取得した 132 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用いて、Exotic Higgs ボソンの二つの軽いスカラーパラメータ（a）への崩壊、それぞれが二つの光子に崩壊する過程（H → aa → γγγγ）を探索した。背景のみの仮説に対して顕著な偏差は観測されず、軽いスカラーパラメータの質量が15 GeVから62 GeVの範囲で、Higgs ブランチ比と生成断面積の積に対する95%信頼区間の上限は、15 GeVで0.80 fb、62 GeVで0.26 fbの間で変動する。

ABSTRACT

A search for the exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars, each of which subsequently decays into a pair of photons, is presented. The search uses data from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC that corresponds to an integrated luminosity of 132 fb$^{-1}$. The analysis probes pseudoscalar bosons with masses in the range 15-62 GeV, coming from the Higgs boson decay, which leads to four well-isolated photons in the final state. No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. Upper limits are set on the product of the Higgs boson production cross section and branching fraction into four photons. The observed (expected) limits range from 0.80 (1.00) fb for a pseudoscalar boson mass of 15 GeV to 0.26 (0.24) fb for a mass of 62 GeV at 95% confidence level.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突において、二つの軽いスカラーパラメータ（a）へのExotic Higgs ボソン崩壊、それぞれが二つの光子に崩壊する最終状態 H → aa → γγγγ を探索すること。
• √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、スカラーパラメータ質量を15から62 GeVの範囲で探査すること。
• Exotic崩壊を仮定したもとで、Higgs ボソンの生成断面積とブランチ比の積に対する上限を設定すること。
• 2HDM+S などの理論的モデルが予測する、光子に崩壊する軽いスカラーパラメータボソンを検証すること。

提案手法

• CMS検出器の電磁カリブレーターと粒子フローアルゴリズムを用いて、四つの分離した光子を再構築する。
• 光子対間の角度的分離が 0.2 より大きい条件を課し、独立した a → γγ 崩壊を解像可能にする。
• 運動量およびトポロジー変数を用いてトレーニングされた多変量識別子を用いて、信号に類似したイベントとバックグラウンドを区別する。
• 四光子インvariant質量スペクトルにおける制御領域を用いて、データ駆動型手法によりバックグラウンド寄与を推定する。
• 観測された四光子インvariant質量分布に対してプロファイル尤度推定を実施し、信号強度の上限を設定する。
• 最終的な上限に、光子エネルギー分解能、再構築効率、およびランプランスケーリングの系統的不確実性を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 95%信頼区間において、Higgs ボソンが二つの軽いスカラーパラメータに崩壊し、それぞれが四つの光子に崩壊するブランチ比の上限は何か？
• RQ2 CMS検出器は、15–62 GeV の範囲の軽いスカラーパラメータへのExotic Higgs 崩壊（γγγγ 最終状態）を除外または制限できるか？
• RQ3 四光子最終状態は、2HDM+S やその他のBSMモデルにおける軽いスカラーパラメータの検出に対してどれほど感度が高いか？
• RQ4 この最終状態における信号再構築効率は、スカラーパラメータ質量の関数としてどのように変化するか？
• RQ5 光子エネルギー分解能および検出器応答からの系統的不確実性は、最終的な上限にどのように影響するか？

主な発見

• 四光子インvariant質量分布において、背景のみの仮説に対して顕著な過剰は観測されなかった。
• スカラーパラメータ質量が15 GeVから62 GeVの範囲で、Higgs ボソンの生成断面積と四光子へのブランチ比の積に対する観測された95%信頼区間の上限は、15 GeVで0.80 fb、62 GeVで0.26 fbの間で変動する。
• 背景のみの仮説下での期待される上限は、15 GeVで1.00 fb、62 GeVで0.24 fbの間で変動する。
• 信号再構築効率はスカラーパラメータ質量とともに増加し、30 GeV以上で高い値に達する。
• バックグラウンド寄与は、主に量子電磁力学（QED）過程および誤識別された光子に起因し、データ駆動型手法により推定された。
• 系統的不確実性は良好に制御されており、最大の寄与は光子エネルギー分解能およびランプランスケーリングに起因する。