[논문 리뷰] A search for decays of the Higgs boson to invisible particles in events with a top-antitop quark pair or a vector boson in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V} $

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2329명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 94인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 Higgs 보손의 투명한 붕괴를 탐색한다. 특히 토퍼-쿼크 쌍 또는 벡터 보손과 함께 생성된 Higgs 보손에 초점을 맞추며, 관련 입자들이 강입자로 붕괴하는 경우를 분석한다. 138 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 분석은 브랜치 비율 B(H → inv)에 대해 95% 신뢰수준에서 상한값 0.54(기대값 0.39)을 설정한다. 이 결과는 이전의 탐색 결과들과 조합되어 통합 상한값 0.15(기대값 0.08)을 도출한다.

ABSTRACT

A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at ${\sqrt{s}=13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}}$ by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$\, ext {fb}^{-1}$. The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$\, ext {Ge}\hspace{-.08em} ext {V}$ Higgs boson to invisible particles, ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$, is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ searches carried out at ${\sqrt{s}=7}$, 8, and 13$\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}$ in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ is 0.15 (0.08 expected).

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 토퍼-쿼크 쌍 또는 벡터 보손과 함께 생성된 Higgs 보손의 투명한 붕괴를 탐색한다.
• 특히 어두운 물질이 Higgs 보손과 상호작용하는 시나리오를 포함한 표준모형을 초월한 물리학을 탐색한다.
• 관련 입자들이 완전히 강입자로 붕괴하는 최종 상태를 분석하여 B(H → inv)의 브랜치 비율에 대한 제약 조건을 향상시킨다.
• 제어 영역과 강입자 반동 지표를 사용하여 잃어버린 레프톤과 잘못 재구성된 제트의 배경 기여를 줄인다.

제안 방법

• CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 사용한다.
• 배경을 억제하기 위해, 토퍼-쿼크 또는 벡터 보손 붕괴에서 유래한 제트와 함께 고립된 레프톤이나 광자를 포함하지 않는 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 주요 분류 기준으로서, 부족한 횡방향 운동량과 레프톤/즉각적인 광자의 횡방향 운동량의 벡터 합인 강입자 반동을 사용한다.
• 신호 영역과 제어 영역을 동시에 피팅하여 배경를 제약하고 신호 강도를 추출한다.
• 실제 데이터를 사용하여 주로 잃어버린 레프톤 이벤트(ℓlost)와 Z → inv 이벤트로 구성된 제어 영역을 활용하여 주요 표준모형 배경를 제약한다.
• VBF, VH, ttH 방식에서 √s = 7, 8, 13 TeV에서 이전의 CMS 탐색 결과들과 조합하여 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 토퍼-쿼크 쌍 또는 벡터 보손과 함께 생성된 경우 B(H → inv)의 상한값은 무엇인가?
• RQ2 강입자 반동 분포는 표준모형 배경과 H → inv 신호를 어떻게 구분하는가?
• RQ3 이 분석을 이전의 CMS 탐색 결과들과 조합함으로써 감도는 얼마나 향상되는가?
• RQ4 제어 영역은 잃어버린 레프톤과 Z → inv 배경을 얼마나 효과적으로 제약하는가?
• RQ5 모든 보완적인 생성 모드에서 B(H → inv)의 통합 상한값은 무엇인가?

주요 결과

• 138 fb⁻¹의 13 TeV 데이터를 사용하여 ttH 및 VH 최종 상태에서 B(H → inv)에 대한 95% 신뢰수준 상한값은 0.54(기대값 0.39)이다.
• 모든 보완적인 생성 모드(VBF, VH, ttH)에서의 B(H → inv)에 대한 통합 상한값은 0.15(기대값 0.08)이며, 이는 이전의 한계에 비해 상당한 향상이다.
• 이 분석은 B(H → inv)에 대해 95% 신뢰수준에서 상한값 0.15를 확보하였으며, 이는 단일 실험으로서 현재까지 가장 엄격한 제약 조건이다.
• 실제 데이터를 사용하여 잃어버린 레프톤과 Z → inv 배경에 대한 제어 영역가 검증되었으며, 이는 신뢰할 수 있는 배경 추정을 보장한다.
• 강입자 반동 변수는 특히 고반동 영역에서 주요 표준모형 배경과 H → inv 신호를 효과적으로 분리한다.
• 이전 탐색 결과들과의 조합을 통해 보완적인 운동량 및 생성 모드 정보를 활용하여 감도를 향상시켰다.