[論文レビュー] Searching for Low-Mass Resonances Decaying into $W$ Bosons

Guglielmo Coloretti, Andreas Crivellin+2 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Feb 14, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCのRun 2データを再分析し、グルーオン融合を経由してWボソンに崩壊する低質量の新しいスカラー共振状態を探索する。WW→ℓνqq最終状態において、95 GeVのスカラー bosonに対して局所的有意度が ≳2.5σに達することが判明し、予想される断面積は約0.5 pbである。他のチャンネルからのヒントを強化し、標準模型を超える新しいヒッグスに類似た粒子の可能性を示唆する。

ABSTRACT

In this article, we recast and combine the CMS and ATLAS analyses of the Standard Model Higgs boson decaying to a pair of $W$ bosons in order to search for low-mass resonances in this channel. We provide limits on the corresponding cross section assuming direct production via gluon fusion. For the whole range of masses we consider (90$\,$GeV to 200$\,$GeV), the observed limit on the cross section turns out to be weaker than the expected one. Furthermore, at $\approx95\,$GeV the limit is weakest and a new scalar decaying into a pair of $W$ bosons (which subsequently decay leptonically) with a cross section $\approx0.5\,$pb is preferred over the Standard Model hypothesis by $\gtrsim 2.5\,σ$. In light of the excesses in the $γγ$, $τ^+τ^-$ and $b\bar b$ channels at similar masses, this strengthens the case for such a new Higgs boson. Furthermore, this analysis also gives room for the scalar candidate at 151$\,$GeV decaying into $W$ bosons.

研究の動機と目的

• LHC Run 2データを用いて、Wボソン対に崩壊する低質量の新しいスカラー共振状態を探索すること。
• 他の崩壊チャンネルで観測された95 GeVのスカラーのヒントが、WW最終状態への崩壊によって裏付けられているかどうかを検証すること。
• 標準模型ヒッグス bosonのWWへの崩壊に関するATLASおよびCMSの解析を統合し、90–200 GeVの質量範囲における新しい物理を制約すること。
• 電荷が0のSU(2)Lトリプレットのニュートラル成分としての新しい中性スカラーの妥当性を評価すること。
• 95 GeVで観測された信号過剰が、グルーオン融合による直接生成とその後のWボソンのレプトン的崩壊と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• MadGraph5aMC@NLO、Pythia8.3、およびDelphesを用いて、標準模型ヒッグスボソン崩壊過程 gg→h→WW*→ℓ⁺ℓ⁻νν̄ を再構築した。
• 90–200 GeVの各質量点ごとに100万イベントをシミュレートし、グルーオン融合で生成され、その後レプトン的崩壊を経るWW*に崩壊する新しいスカラーHのシミュレーションを実施した。
• 標準模型ヒッグスボソンのデータと比較することで、シミュレーションの妥当性を検証した（横方向質量 mT の分布を用いて）。
• ATLASおよびCMSのデータを統合するグローバルフィットを実施し、CMSのカテゴリでバックグラウンドを再フィットすることで感度を向上させた。
• プロファイル尤度比検定統計量を用いて、局所的およびグローバル有意度を計算し、他の領域を探索する際の影響（look-elsewhere effect）を考慮した。
• 特に効率が低い高pT2領域において、バックグラウンド再フィットの有無にかかわらず信号の有意度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSのRun 2データの統合において、90–200 GeVの質量範囲に、Wボソンに崩壊する新しいスカラー共鳴状態の証拠はあるか？
• RQ2 バックグラウンドの不確実性とデータの統合を考慮しても、WW→ℓνqq最終状態における約95 GeVの信号過剰は維持されるか？
• RQ3 95 GeVの信号過剰は、グルーオン融合による生成とW対への崩壊を経る新しいスカラー bosonとして解釈可能であり、標準模型ヒッグスに類似した振る舞いを示すか？
• RQ4 信号の有意度は予想される限界と比べてどうか？また、バックグラウンド再フィットの有意度推定に与える影響は？
• RQ5 観測された信号は、WボソンにのみカップリングするSU(2)Lトリプレットモデルからの中性スカラーと整合するか？また、これはCDF IIのWボソン質量異常を説明できるか？

主な発見

• 90–200 GeVの全範囲において、観測された断面積の上限が予想される上限よりも弱く、新しい物理の信号に傾向があることを示している。
• 約95 GeVにおいて、局所的有意度が ≳2.5σに達し、新しいスカラーがWボソンに崩壊する場合の好ましい断面積は約0.5 pbである。
• ATLASおよびCMSデータの統合フィットにより、グローバル有意度は2.6σ（再フィット時）および2.8σ（再フィットなし）となり、95 GeVの信号が最も顕著である。
• CMS解析では、信号の有意度が低効率な高pT2領域で低下するが、統合フィットでは依然として正の信号と整合的である。
• 150 GeVのケースでは、小さいが非ゼロの信号傾向（2.2σのグローバル有意度）が観測されたが、95 GeVのそれほど強くはない。
• 結果は、電荷が0のSU(2)Lトリプレットのニュートラル成分としての新しいスカラーと整合的であり、その真空期待値がCDF IIのWボソン質量測定値の異常を説明できる可能性がある。