[論文レビュー] Search for the Standard Model Higgs boson produced by vector boson fusion and decaying to bottom quarks

Giorgia Rauco|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、CMS検出器を用いて √s = 8 TeV で得られた 19.8 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用い、ベクトルボソン融合（VBF）過程で生成され、ボトムクォーク対（bb̄）に崩壊する標準模型ヒッグスボソンの探索を報告する。分析では、125 GeV における信号の有意水準が 2.2 標準偏差に達し、測定された信号強度は μ = 2.8⁺¹.⁶₋¹.⁴ であった。これは他の CMS H → bb̄ 探索結果と組み合わせた結果として、8% のレベルで標準模型予測と整合的であり、μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴² および有意水準 2.56σ を得た。

ABSTRACT

The search for the Standard Model (SM) Higgs boson (H) produced through the Vector Boson Fusion (VBF) mechanism and decaying to a pair of bottom quarks is reported. The used data have been collected with the CMS detector and correspond to an integrated luminosity of 19.8 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=8$ TeV at the CERN LHC. Parked data have been exploited as well. This search resulted in an observed (expected) significance in these data samples for a H $ ightarrow$ b$\bar{b}$ signal at a mass of 125 GeV of 2.2 (0.8) standard deviations. The cited signal strength, $μ=σ/σ_{ extrm{SM}}$, was measured to be 2.8$^{+1.6}_{-1.4}$. This result has been combined with other CMS searches for the SM Higgs boson decaying in a pair of bottom quarks exploiting other Higgs production mechanisms. The obtained combined signal strength is 1.0 $\pm$ 0.4, corresponding to an observed signal significance of 2.6 standard deviations for a Higgs boson mass of 125 GeV.

研究の動機と目的

• ベクトルボソン融合（VBF）経由で生成され、ボトムクォーク対（bb̄）に崩壊する標準模型ヒッグスボソンの探索。これは理論的に重要な主要な崩壊モードである。
• インクルーシブなヒッグス生成における支配的であるクォーク発光（QCD）背景を打ち破るために、2つの前方ジェットと中央の bb̄ 対を持つ特徴的な VBF トポロジーを活用する。
• 125 GeV における VBF 生成ヒッグスボソン → bb̄ の信号強度 μ = σ/σ_SM を測定し、標準模型予測との整合性を検証する。
• 他の CMS H → bb̄ 探索チャンネル（VH、ttH）の結果と統合することで感度を向上させ、ヒッグス信号強度を制約する。

提案手法

• CMS 検出器が収集した √s = 8 TeV での pp 衝突データ 19.8 fb⁻¹ を分析し、VBF を強調したイベントを抽出するため、専用および汎用のトリガーを用いた。4つのジェットと b タグ付き候補を有するイベントを選別した。
• イベント再構築には、粒子フロー（Particle Flow）アルゴリズムと反-kT ジェットクラスタリング（R = 0.5）を用い、b ジェットは CSV b タグアルゴリズムで同定した。
• 信号と背景を区別するための多変量判別器を適用し、b タグ値、ジェットの虚数的密度（pseudorapidity）、順序情報の組み合わせにより信号感度を向上させた。
• 複数の信号強化カテゴリにおける2つの b ジェット候補のインヴァリエント質量分布に対して、同時にフィットを実行した。背景は QCD、トップクォーク、Z/W + ジェット寄与としてモデル化した。
• 信号および背景の形状は、モンテカルロシミュレーションから導出した。ジェットエネルギースケール（JES）およびエネルギー分解能（JER）の不確実性は、補正係数 k_JES および k_JER を用いてパrameter化した。
• 信号強度 μ = σ/σ_SM は、アセプトティック CLs 法を用いて抽出した。形状および生成率の系統的不確実性は、フィットにおいて自由パrameterとして取り扱った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 19.8 fb⁻¹ の 8 TeV 衝突データにおいて、125 GeV のヒッグスボソンが VBF で生成され、bb̄ に崩壊する場合の観測有意水準は何か？
• RQ2 VBF → H → bb̄ の測定された信号強度 μ = σ/σ_SM は、標準模型予測の μ = 1 と比べてどうか？
• RQ3 VH および ttH H → bb̄ 探索チャンネルと統合した場合、組み合わせた信号強度と有意水準は何か？
• RQ4 VBF → bb̄ チャネルにおいて、観測データは背景のみの仮説とどの程度一致するか？
• RQ5 VBF H → bb̄ 探索における信号強度測定に影響を与える主な系統的不確実性は何か？

主な発見

• 125 GeV における VBF → bb̄ チャネルの観測有意水準は 2.2 標準偏差であり、背景のみの仮説下では期待される有意水準は 0.8 標準偏差であった。
• VBF 生成ヒッグスボソン → bb̄ の測定された信号強度は μ = 2.8⁺¹.⁶₋¹.⁴ であり、標準模型予測より信号過剰を示しているが、8% のレベルで整合的であった。
• VH および ttH H → bb̄ 探索結果と統合した結果、組み合わせた信号強度は μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴² に測定され、標準模型予測の μ = 1 と整合的であった。
• すべての H → bb̄ チャネルにわたる組み合わせた観測有意水準は 2.56 標準偏差であり、期待される有意水準は 2.70 標準偏差であった。
• 背景のみの仮説は、組み合わせた解析において 2σ 以上の信頼水準で排除され、ヒッグス信号の存在を支持する結果となった。
• フィット結果は、データと信号＋背景モデルとの間に良好な一致を示しており、複数のカテゴリおよび系統的パラメータを横断する同時フィットにより不確実性が適切に制御されていた。