[논문 리뷰] Model-independent search for the presence of new physics in events including $H ightarrow\gamma\gamma$ with $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp data recorded by the ATLAS detector at the LHC

Aad, G., Abbott, B.외 2881명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 모델에 종속되지 않는 검색은 LHC의 ATLAS 검출기에서 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 힉스 보손의 이광자 붕괴에서 새로운 물리학을 탐색한다. 다양한 관련 입자를 포함한 22개의 최종 상태를 분석한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 새로운 물리학 생성 단면적에 대한 상한이 설정되었으며, 벤치마크 브라운-스탠더드 모델(BSM) 시나리오 전반에 걸쳐 모델에 종속되지 않는 해석을 위한 검출기 수준의 효율성이 보고되었다.

ABSTRACT

A model-independent search for new physics leading to final states containing $H ightarrowγγ$ decays is performed with 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp collision data recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. This search examines 22 final states categorized by the objects that are produced in association with the Higgs boson. These objects include isolated electrons or muons, hadronically decaying $τ$-leptons, additional photons, missing transverse momentum, and hadronic jets, as well as jets that are tagged as containing a b-hadron. No significant excesses above Standard Model expectations are observed and limits on the production cross section at 95% confidence level are set. Detector efficiencies are reported for all 22 signal regions, which can be used to convert detector-level cross-section limits reported in this paper to particle-level cross-section constraints.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학(BSM)을 특정 BSM 모델을 가정하지 않고, 힉스 보손의 이광자 붕괴에서 탐색하기 위해.
• 전자, 제트, 광자, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 다양한 최종 상태에서의 힉스 보손 생성률의 편차를 식별하기 위해.
• 다양한 BSM 모델에 대해 입자 수준 제약 조건으로 해석할 수 있는, BSM 힉스 생성의 검출기 수준 단면적 상한을 설정하기 위해.
• 22개의 신호 영역에 대한 검출기 효율성을 보고하여, 향후 BSM 모델 비교를 위한 단면적 상한을 입자 수준 제약 조건으로 변환할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 분석은 LHC에서 ATLAS 검출기가 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 신호 영역은 전자, 뮤온, 타우 렙톤, 광자, 제트, b-제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량과 같은 힉스 보손과 관련된 입자의 존재 및 운동학적 성질에 의해 정의된다.
• 신호 및 배경을 모델링하기 위해 이광자 질량(mγγ) 분포를 사용하며, 배경는 분석 함수에 기반한 피팅 방법으로 추정된다.
• 다양한 벤치마크 BSM 모델에서 22개의 신호 영역에 대한 검출기 수준 효율성을 계산하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 표준모형 및 BSM 힉스 생성 모델링, 연속기 배경, 공진 상태 배경 수익에 대한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 프로파일-가능도 비율 방법을 사용하여 95% 신뢰수준에서 BSM 생성 단면적 상한을 설정하며, 신호 영역 간 상관관계를 보고한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 최종 상태에서 관련 입자를 포함한 힉스 보손의 이광자 붕괴에서 표준모형 예측에 비해 유의미한 편차가 관측되는가?
• RQ2 다양한 관련 물체를 포함한 이광자 최종 상태를 사용하여, 새로운 물리학 생성 단면적에 대한 모델에 종속되지 않는 상한을 설정할 수 있는가?
• RQ3 22개의 신호 영역에서 검출기 수준 효율성은 어떻게 변화하며, 이는 BSM 모델에 대한 입자 수준 단면적 상한으로의 해석을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 SUSY, FCNC, 벡터-형상 쿼크 등 다양한 BSM 시나리오에 대한 탐색의 민감도는 검출기 수준 단면적 상한을 통해 어떻게 정량화되는가?
• RQ5 높은 이벤트 수를 가진 신호 영역 간 상관관계는 관측된 상한에 어떻게 반영되는가?

주요 결과

• 22개의 모든 신호 영역에서 표준모형 예측을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 모든 22개의 신호 영역에서 새로운 물리학 생성 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한이 설정되었으며, 최종 상태에 따라 약 0.1에서 10배의 표준모형 힉스 보손 단면적 수준에서 변동한다.
• 각 신호 영역에 대해 검출기 수준 효율성이 보고되었으며, 최종 상태 입자의 운동학적 성질과 모델에 따라 약 10%에서 80% 이상으로 변동한다.
• 낮은 배경 및 높은 질량 해상도 덕분에 H→γγ 채널에서 경쟁 가능한 민감도를 확보하여 강력한 신호-배경 분리가 가능하다.
• 높은 이벤트 수를 가진 신호 영역 간 관측된 상한 간 상관관계가 보고되었으며, 이는 공통된 BSM 서명에 대한 공통 민감도를 나타낸다.
• 결과는 모델에 종속되지 않은 형식으로 제공되었으며, 검출기 수준 상한과 효율성 덕분에 SUSY, FCNC, 벡터-형상 쿼크 등 다양한 BSM 이론에 대한 재해석이 가능하다.