[論文レビュー] Searches for additional Higgs bosons and for vector leptoquarks in $ au au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2398 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突から得られた138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、標準模型を超える物理学を、ττ最終状態においてモデルに依存しない探索を実施する。95%信頼水準における新しいヒッグス粒子およびベクトルレプトクォークの生成に対する上限を設定し、0.1および1.2 TeVで局所的な過剰が観測された。また、ベンチマークMSSMシナリオにおいて350 GeV未満の追加ヒッグス粒子が除外された。

ABSTRACT

Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) in $ au au$ final states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay into $ au$ leptons and the cross sections for the production of a new boson $\phi$, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (gg$\phi$) or in association with b quarks, ranging from $\mathcal{O}$(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for gg$\phi$ production with local $p$-values equivalent to about three standard deviations at $m_\phi$ = 0.1 and 1.2 TeV. In a search for $t$-channel exchange of a vector leptoquark U$_1$, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U$_1$ leptoquark coupling to quarks and $ au$ leptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the $M_\mathrm{h}^{125}$ and $M_\mathrm{h, EFT}^{125}$ minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

研究の動機と目的

• グルーオン融合またはbクォーク関連生成を通じた追加ヒッグス粒子の探索を、ττ最終状態において行う。
• tチャネル交換を通じて、ベクトルレプトクォークのシグネチャをττ最終状態で探査する。
• 3つの中性ヒッグス粒子を有する最小限の超対称標準模型（MSSM）のベンチマークシナリオをテストする。
• 新しい物理のカップリングおよび断面積に対する95%信頼水準の上限を設定する。
• リゾナントおよび非リゾナントττ生成を新しい物理のプローブとして、データを解釈する。

提案手法

• CMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• 4つのττ最終状態（eµ、eτh、µτh、τhτh）を分析する。τhはハドロン的τ崩壊を示す。
• 真のττおよび誤って識別されたジェット（ジェット → τh）のバックグラウンドをデータ駆動型で推定する。
• インバリアント質量再構成とイベントカテゴリゼーションを適用し、潜在的なリゾナント信号を分離する。
• 系統的不確実性を含む統計モデルを用いて、信号断面積の上限を設定する。
• 有効場理論およびMSSMシナリオを用いた、モデルに依存しないおよびベンチマークベースの解釈を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオン融合またはbクォーク関連生成を通じてττに崩壊する新しいスピン0レゾナントϕのブランチング比と断面積の積に対する上限は何か？
• RQ2 ττインバリアント質量スペクトルに、新しいリゾナント状態と整合する有意な局所的過剰は存在するか？
• RQ3 次元のないU1レプトクォークカップリングがクォークおよびτレプトンに与える上限は95%信頼水準でどの程度か？
• RQ4 M125hおよびM125h,EFT MSSMベンチマークシナリオにおいて、350 GeV未満の追加ヒッグス粒子はどの程度まで除外されるか？
• RQ5 tチャネルレプトクォーク交換による非リゾナントττ生成は、どのように制限されるか？

主な発見

• ggϕ生成における新しいヒッグス粒子ϕのブランチング比と断面積の積に対する上限は、60 GeVでO(10 pb)、3.5 TeVで0.3 fbの範囲に収まる。
• mϕ = 0.1 TeVおよび1.2 TeVで、それぞれ約3標準偏差に相当する局所的p値を持つ2つの局所的過剰が観測された。
• 次元のないU1レプトクォークカップリングがクォークおよびτレプトンに与える95%信頼水準の上限は、1 TeVで1から5 TeVで6の範囲に収まる。
• M125hおよびM125h,EFT MSSMベンチマークシナリオにおいて、350 GeV未満の追加ヒッグス粒子は95%信頼水準で除外された。
• 本分析は、リゾナントおよび非リゾナントττ最終状態の両方に対してきびしい制約を課し、標準模型を超える新しい物理の感度を向上させた。
• すべての結果は、将来のモデル比較および検証のため、HEPDataデータベースで公開されている。