[論文レビュー] Search for the Higgs boson decays to a $ ho^0$, $\phi$, or K$^{*0}$ meson and a photon in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2401 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、CMS実験が収集した √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb⁻¹ を用いて、レアなヒッグスボソン崩壊 H → ρ⁰γ、ϕγ、または K∗⁰γ を探索した。有意な過剰は観測されず、95%信頼水準における最も厳しい実験的上限が得られた：H → ρ⁰γ に対して 3.7 × 10⁻⁴、H → ϕγ および H → K∗⁰γ に対しては 3.0 × 10⁻⁴ である。

ABSTRACT

Three rare decay processes of the Higgs boson to a $ ho$(770)$^0$, $\phi$(1020), or K$^{*}$(892)$^0$ meson and a photon are searched for using $\sqrt{s}$ = 13 TeV proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC. Events are selected assuming the mesons decay into a pair of charged pions, a pair of charged kaons, or a charged kaon and pion, respectively. Depending on the Higgs boson production mode, different triggering and reconstruction techniques are adopted. The analyzed data sets correspond to integrated luminosities up to 138 fb$^{-1}$, depending on the reconstructed final state. After combining various data sets and categories, no significant excess above the background expectations is observed. Upper limits at 95% confidence level on the Higgs boson branching fractions into $ ho$(770)$^0$$\gamma$, $\phi$(1020)$\gamma$, and K$^{*}$(892)$^0\gamma$ are determined to be 3.7 $ imes$ 10$^{-4}$, 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, and 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, respectively. In case of the $ ho$(770)$^0$$\gamma$ and $\phi$(1020)$\gamma$ channels, these are the most stringent experimental limits to date.

研究の動機と目的

• レア崩壊 H → 軽いメソン + 光子を通じて、ヒッグスボソンの軽いクォーク（u, d, s）への結合を調べること。
• 小さなヤコビ・カップリングまたはフレーバー変換中性荷電現在のため、非常に抑制されたと予測される H → ρ⁰γ、H → ϕγ、H → K∗⁰γ の標準模型予測を検証すること。
• 138 fb⁻¹ の13 TeV pp衝突データを用いて、これらの分岐比に対して最も厳しい実験的上限を設定すること。
• グルーオン融合、ベクトルボソン融合、W/Zまたはトップクォークと関連した生成モードに基づくイベントのカテゴリ化により感度を向上させること。
• メソンおよび光子の最終状態に対して、最適化されたトリガー、粒子識別、および多変量解析技術を用いて信号再構築を強化すること。

提案手法

• 信号イベントは、ρ⁰ → π⁺π⁻、ϕ → K⁺K⁻、K∗⁰ → K⁺π⁻、および H → メソン + γ の崩壊チェーンに基づいて選別された。
• 背景を抑制するために、メソンと光子系のインバリアント質量再構築に加え、運動学的およびトポロジカルな要件を適用した信号領域を定義した。
• 感度を最大化するために、ヒッグス生成モード（ggH、VBF、VH、ttH）ごとに異なる再構築およびトリガ戦略を適用した。
• QCDマルチジェット、Drell-Yan、トップクォーク過程からのバックグラウンドは、制御領域とシミュレーションを用いて推定され、データ駆動的手法で検証された。
• XGBoostに基づく多変量解析（MVA）を用いて、運動学的および幾何的変数を用いて信号とバックグラウンドを識別した。
• システムティック不確かさは、専用の制御サンプルとプロファイリング手法を用いて評価され、バックグラウンドモデル化における形状不確かさを包括的に取り扱った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の文脈において、H → ρ⁰γ の分岐比の上限は何か？
• RQ2 ヒッグスボソンがϕメソンと光子に崩壊することは観測可能か？ その分岐比に対する制約は何か？
• RQ3 CMS実験は、非常に抑制された H → K∗⁰γ 崩壊に対してどの程度感度を持つのか？ その結果の上限は何か？
• RQ4 観測された上限は、これらのレアヒッグス崩壊に関して、以前の実験結果を改善しているか？
• RQ5 データは、これらの崩壊モードを通じた異常なヒッグス結合定数の証拠を示唆できるか？

主な発見

• H → ρ⁰γ、H → ϕγ、H → K∗⁰γ のいずれの信号領域においても、背景予想値を上回る有意な過剰は観測されなかった。
• H → ρ⁰γ の95%信頼水準における分岐比上限は 3.7 × 10⁻⁴ に設定され、これまでで最も厳しい実験的上限である。
• H → ϕγ の95%信頼水準における分岐比上限は 3.0 × 10⁻⁴ であり、これまでに報告された最も厳しい上限である。
• H → K∗⁰γ の95%信頼水準における分岐比上限は 3.0 × 10⁻⁴ であり、このような感度レベルでの上限が初めて設定された。
• H → ρ⁰γ および H → ϕγ の上限は、ATLASおよびCMSの以前の結果を改善し、軽いクォーク結合の探査を強化した。
• 本分析は、高度な多変量技術および生成モード別最適化の有効性を示した。