[論文レビュー] The compatibility of LHC Run 1 data with a heavy scalar of mass around 270\,GeV

S. E. von Buddenbrock, Nabarun Chakrabarty+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、約272 GeVの重いスカラー粒子が存在する仮説とLHCラン1データの整合性を調査し、特に二ヒッグス、トップ関連、VV共鳴探索におけるヒッグス粒子の生成および崩壊チャネルの過剰が、1つの新しい物理粒子がヒッグス粒子、欠落エネルギー、またはジェットに崩壊することで説明可能であると提唱している。統計的解析により、最良適合質量は272⁺¹²₋₉ GeVで、有意水準は約3標準偏差に相当し、元の探索で最適化されていない新しい物理の兆候を示唆している。

ABSTRACT

The first run of the LHC was successful in that it saw the discovery of the elusive Higgs boson, a particle that is consistent with the SM hypothesis. There are a number of excesses in Run 1 ATLAS and CMS results which can be interpreted as being due to the existence of another heavier scalar particle. This particle has decay modes which we have studied using LHC Run 1 data. Using a minimalistic model, we can predict the kinematics of these final states and compare the prediction against data directly. A statistical combination of these results shows that a best fit point is found for a heavy scalar having a mass of 272$^{+12}_{-9}$\,GeV. This result has been quantified as a three sigma effect, based on analyses which are not necessarily optimized for the search of a heavy scalar. The smoking guns for the discovery of this new heavy scalar and the prospects for Run 2 are discussed.

研究の動機と目的

• LHCラン1におけるヒッグス粒子のデータに観測された複数の過剰が、一様に1つの重いスカラー粒子によって説明可能かどうかを評価すること。
• 新しい重いスカラー粒子が、$hh$、$h\chi\chi$（$\chi$ をダークマターとする）または$hjj$ に崩壊することで、標準模型予測からの観測偏差を説明できるという仮説を検証すること。
• 最小限の有効場理論モデルを用いて、重いスカラー粒子の探索に事前に最適化されていない複数の最終状態における過剰の組み合わせの有意水準を定量化すること。
• ラン2データにおけるこのような重いスカラーの発見に向けた「決定的証拠（smoking guns）」となる実験的シグネチャを特定すること。

提案手法

• ATLASおよびCMSの14個の独立したLHCラン1結果を統合し、標準模型（SM）仮説とBSMモデル（重いスカラーを含む）を比較するための共通の検定統計量 $\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$ を用いた統計的組み合わせを実施した。
• BSMモデルでは、質量 $m_H$ の重いスカラー $H$ を導入し、SMヒッグス粒子およびダークマターまたはハドロンジェットへの有効結合を備え、崩壊モード $H \to hh$、$H \to h\chi\chi$、$H \to hjj$ を持つ。
• 最良適合質量を特定するため、$m_H$ に関する最小化手順を実施し、不確実性はプロファイル尤度および検定統計量を用いて推定した。
• 特に $pp \to H \to hh$ および $H \to h\chi\chi$ による寄与により生じるヒッグス粒子の横運動量（$p_T^h$）スペクトルの運動学的歪みをモデルが考慮した。
• 観測された過剰の有意水準は、検定統計量の分布を用いて評価され、自由度1の1σ、2σ、3σ帯が用いられた。
• 「決定的証拠」となるシグネチャは、増加したジェット多重度、欠落横断的エネルギー、および $hjj$、$VV$、$hh$ のインバリアント質量スペクトルにおける共鳴構造に基づいて特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCラン1におけるヒッグス粒子のデータに観測された過剰（$p_T^h$、二ヒッグス、トップ関連、$VV$ 共鳴探索を含む）は、一様に1つの重いスカラー粒子によって説明可能か？
• RQ2 $hh$、$h\chi\chi$、または $hjj$ に崩壊する重いスカラー粒子が結合データを説明する場合、最良適合質量と有意水準は何か？
• RQ3 重いスカラー探索に最適化されていない解析を用いた場合、結果はどの程度頑健か？また、NNLO QCD補正の影響は何か？
• RQ4 ラン2データにおいて、このような重いスカラーを発見するための最も感度の高い最終状態、または「決定的証拠」となるシグネチャは何か？

主な発見

• 仮説的な重いスカラー粒子の最良適合質量は、複数のLHCラン1結果を統合した解析から $272^{+12}_{-9}$ GeV である。
• 観測データは、検定統計量 $\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$ を用いた解析において、標準模型仮説よりもBSMモデルのほうが約3標準偏差（$3\sigma$）の有意水準で支持されている。
• 有意水準の主な寄与は、特に $H \to hh$ 崩壊を伴う二ヒッグス共鳴探索であり、ATLASおよびCMSの両データで断面積の増加が観測された。
• モデルは、$H \to hh$ および $H \to hjj$ 崩壊による $H$-媒介生成を通じて、$p_T^h$ スペクトルおよびジェット多重度の観測過剰を説明している。
• 結果はNNLO QCD補正を含んでも頑健であり、高次のQCD効果によって有意水準が顕著に変化しないことが示された。
• 本研究では、ラン2における発見に向けた7つの主要な「決定的証拠」シグネチャを同定した。これらには、$hjj$、$hh$、$VV$ のインバリアント質量ピークの共鳴構造、およびトップ関連ヒッグスイベントにおける増加した欠落エネルギーが含まれる。