[論文レビュー] Searches for Higgs boson pair production with ATLAS

A. Ferrari|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCラン2の13 TeVの陽子-陽子衝突データ（36.1 fb⁻¹）を用いて、Higgs粒子対生成（HH）の3つのATLAS探索を提示する。解析は、HH→bbbb、HH→bbγγ、HH→WWγγの最終状態において、非共鳴および共鳴HH生成を対象とし、95%信頼水準（CL）での除外限界を設定するとともに、Higgs自己結合定数を−5.0 < κλ < 12.1の範囲に制約した。

ABSTRACT

The search for Higgs boson pair ($HH$) production is at the core of the ATLAS experimental program, as it probes the Brout-Englert-Higgs mechanism, as well as new physics beyond the Standard Model. Based on the proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at CERN's Large Hadron Collider in 2015 and 2016, three public results on the search for $HH o bbbb$, $HH o bbγγ$ and $HH o WWγγ$ were recently released and are summarised in these proceedings.

研究の動機と目的

• 標準模型におけるHiggsポテンシャルの主要なテストであるHiggs自己結合定数を調べるため、Higgs粒子対生成（HH）を探索すること。
• 複数の最終状態における非共鳴および共鳴HH生成を通じて、標準模型を超える新しい物理を探索すること。
• 多くのBSM理論で強化される、HH生成断面積の標準模型予測値33.41 fbからのずれを測定すること。
• 特にHH→bbbbチャンネルにおいて、支配的なマルチジェット背景を抑制するための新規データ駆動型技術を開発・適用すること。
• スピン0またはスピン2の共鳴状態がHiggs対に崩壊する経路を通じた共鳴HH生成の除外限界を設定すること。

提案手法

• LHCラン2におけるATLASの√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ36.1 fb⁻¹を用いる。
• 解像化およびブーストされたジェット再構築を用いたイベントトポロジー：解像化ではR=0.4のanti-kTジェット、ブーストではR=1.0のanti-kTジェットを用い、ブーストジェットにはR=0.2でのbタギングを適用する。
• m4j、m2j、ΔRjj、およびpTの要件に基づく運動量選別を行い、Higgs粒子候補を特定するとともに、トップクォークおよびQCD背景を抑制する。
• HH→bbbbチャンネルにおけるマルチジェット背景をデータ駆動型技術で推定し、特に2016年のデータにおけるトリガー非効率性に対処する。
• 信号および背景分布のモデル化には、シミュレーション（HHおよびシングルH用）とデータへのフィット（連続的マルチジェット/光子背景用）を用い、Crystal-Ball関数および指数関数を用いる。
• 各最終状態に特化したイベント選別カットを適用する：例として、HH→WWγγではpT(γγ) > 100 GeVを、mγγはmHから3.4 GeV以内に維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HH→bbbb、HH→bbγγ、HH→WWγγ最終状態における非共鳴Higgs粒子対生成断面積の限界は何か？
• RQ2 スピン0またはスピン2の共鳴状態がHiggs対に崩壊する経路を通じて、260–3000 GeVの質量範囲で共鳴HH生成が観測可能か？
• RQ3 各最終状態における観測イベントレートは、標準模型の予測と比較してどうなっており、Higgs自己結合定数にどのような制約を与えるか？
• RQ4 大規模なマルチジェット背景を持つHH→bbbbチャンネルにおいて、データ駆動型背景推定技術が不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ5 複数のHH最終状態の組み合わせによる感度は、Higgs系における新しい物理をどの程度検出可能にするか？

主な発見

• 非共鳴Higgs粒子対生成断面積の統合観測95% CL限界は0.223 pbであり、これは標準模型予測の6.7倍に相当する。
• 3つの感度の高い探索の統合統計的解析に基づき、Higgs自己結合定数κλは95% CLで−5.0 < κλ < 12.1の範囲に制約された。
• 共鳴HH生成に関しては、仮想共鳴状態の質量関数としての断面積の95% CL除外限界が設定され、HH→bbbbチャンネルでは3 TeVまでが除外範囲に含まれる。
• HH→bbγγチャンネルでは、800–3000 GeVの質量範囲にわたり除外限界が設定され、1500 GeVでイベント選別に変化が観測された。
• HH→WWγγチャンネルでは、非共鳴HH生成の観測限界は標準模型断面積の230倍であり、予想される限界は95% CLで160〜340倍の範囲にわたる。
• 第4の探索、HH→bbττは会議後に発表され、非共鳴HH生成に関して95% CLで標準模型予想の12.7倍の限界を設定した。