[논문 리뷰] Combination of searches for invisible decays of the Higgs boson using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV collected with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서 139 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터와 이전의 Run 1 결과를 포함한 ATLAS 검색 결과를 통계적으로 조합하여 비활성 힉스 보손 붕괴에 대한 가장 민감한 직접 한계를 제시한다. 95% 신뢰수준에서 관측된(기대된) 비활성 붕괴 분율에 대한 상한은 각각 0.107(0.077)이며, 힉스 포털 어둠료물질 모델을 제약한다.

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model predict the production of dark matter particles at the LHC. Sufficiently light dark matter particles may be produced in decays of the Higgs boson that would appear invisible to the detector. This Letter presents a statistical combination of searches for H→invisible decays where multiple production modes of the Standard Model Higgs boson are considered. These searches are performed with the ATLAS detector using 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre–of–mass energy of Image 1 at the LHC. In combination with the results at Image 2 and Image 3, an upper limit on the H→invisible branching ratio of 0.107 (0.077) at the 95% confidence level is observed (expected). These results are also interpreted in the context of models where the 125 GeV Higgs boson acts as a portal to dark matter, and limits are set on the scattering cross-section of weakly interacting massive particles and nucleons.

연구 동기 및 목표

• Run 2 및 Run 1 데이터의 다수의 생성 모드를 조합하여 비활성 힉스 보손 붕괴에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 힉스 보손이 은밀한 영역으로의 통로로 작용하는 어둠료물질 모델을 제약하기 위해.
• 이전의 개별 또는 부분 조합보다 더 엄격한 상한을 힉스 비활성 붕괴 분율에 설정하기 위해.
• 다양한 검색 채널과 데이터 수집 기간 간의 상관 불확실성을 고려하기 위해.
• 고에너지 물리학에서 다수의 최종 상태를 통합하기 위한 견고한 통계적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 다섯 개의 ATLAS 검색 채널 통합: VBF + EmissT, Z(→ℓℓ) + EmissT, tt̄ + EmissT, VBF + EmissT + γ, Higgs + jet + EmissT.
• 모든 채널과 데이터 런 간의 완전한 상관관계를 처리하기 위해 통합된 통계 모델을 사용.
• Run 1 결과(√s = 7 및 8 TeV)를 조합에 통합하여 감도를 향상시킴.
• 95% 신뢰수준에서 비활성 붕괴 분율에 대한 상한을 설정하기 위해 프로파일 우도 비율 검정을 적용.
• 배경를 모델링하고 체계적 불확실성을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 기반 기법을 사용.
• 모든 채널과 런 간의 실험적 및 이론적 불확실성의 상관관계를 고려한 공동 피팅을 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 Run 2 데이터셋과 이전의 Run 1 데이터를 사용하여 힉스 보손의 비활성 최종 상태로의 붕괴 분율에 대한 가장 엄격한 상한은 무엇인가?
• RQ2 다양한 힉스 생성 모드(VBF, Vh, tth 등)는 비활성 붕괴 탐색에서 전체 감도에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 채널 간 및 데이터 수집 기간 간의 상관 불확실성은 최종 상한에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 힉스 보손이 어둠료물질과의 상호작용을 Higgs 포털을 통해 매개하는 모델은 결과로 어떻게 제약받는가?
• RQ5 이 상한은 어둠료물질 직접 탐지 실험에서 약하게 상호작용하는 대량 입자(WIMP)와 핵자 간의 산란 횡단면에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 95% 신뢰수준에서 힉스 보손의 비활성 붕괴 분율에 대한 관측된 상한은 0.107이며, 이는 현재까지 가장 민감한 직접 제약 조건이다.
• 기대되는 상한은 95% 신뢰수준에서 0.077이며, 신호가 없을 경우 강력한 통계적 능력을 보여준다.
• Run 2와 Run 1 데이터의 조합은 Run 2 단독에 비해 감도를 크게 향상시키며, 기대 상한을 약 10% 감소시킨다.
• 결과는 힉스 포털 어둠료물질 모델을 제약하며, 힉스-어둠료물질 결합 상수와 WIMP-핵자 산란 횡단면에 대한 제약를 설정한다.
• 125 GeV 힉스 포털 모델에서 어둠료물질 질량이 100 GeV일 경우, WIMP-핵자 스핀-독립 산란 횡단면의 상한은 1.1 × 10⁻⁴⁴ cm²이다.
• 이전의 ATLAS 및 CMS 상한보다 개선되었으며, 관측된 상한은 ATLAS가 Run 2 단독으로 보고한 0.145 이하이다.