[논문 리뷰] Search for a new resonance decaying into two spin-0 bosons in a final state with two photons and two bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2338명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 87인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 스핀-0 보손 X가 두 개의 스핀-0 보손—즉, 두 개의 힉스 보손(HH) 또는 힉스 보손과 새로운 스칼라 보손 Y—로 붕괴하는 신규 스핀-0 레조넌스 X를 위한 탐색을 수행한다. 분석은 γγbb 최종 상태를 대상으로 하며, 기계학습과 2차원 우도 함수 피팅을 활용하여 95% 신뢰수준에서 X의 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 상한을 설정한다. 관측된 상한은 0.90에서 0.04 fb 사이이며, X가 650 GeV일 때 3.8σ의 局소 유의수준을 보인다.

ABSTRACT

A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260-1000 GeV and 300-1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90-800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90-0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 두 개의 스핀-0 보손(HH 또는 HY)으로 붕괴하는 새로운 스핀-0 레조넌스 X를 탐색하기 위해.
• 와이드드 엑스트라 디멘전스와 NMSSM와 같은 새로운 물리 모델이 예측하는 이러한 레조넌스를 조사하기 위해.
• 통합 루미노시티 138 fb⁻¹를 사용하여 γγbb 최종 상태에서 X의 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• X = 650 GeV와 Y = 90 GeV에서 국소 유의수준 3.8σ의 레조넌스 신호 가능성 조사하기 위해.

제안 방법

• 딥 러닝과 제트 서브스트럭처 기법을 사용하여 광자 및 b-제트 식별을 통해 γγ 및 bb 최종 상태에서의 진동 질량 피크를 통해 힉스 보손을 재구성하기 위해.
• γγbb 최종 상태에서 주요 QCD 및 전자약 배경을 억제하기 위해 기계학습 알고리즘을 적용하기 위해.
• 신호 수확량을 추출하고 상한을 설정하기 위해 (mγγ, mjj) 평면에서 이중 최대우도 피팅을 수행하기 위해.
• POWHEG+PYTHIA8 및 SHERPA를 사용하여 신호 및 배경 샘플을 시뮬레이션하며, NLO QCD와 파arton 쇼어 매칭을 포함하기 위해.
• 데이터 기반 기법과 전용 校정 도구를 사용하여 제트 에너지 스케일, 피로우업, b-태깅 효율성 보정을 적용하기 위해.
• 검출기 효과, 루미노시티, 이론적 입력으로부터 유래하는 체계적 불확실성을 모델링하고, 상한 설정 절차에서 전체적으로 전파하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 γγbb 최종 상태로 HH 또는 HY로 붕괴하는 새로운 스핀-0 레조넌스 X에 대한 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 γγbb 최종 상태에서 X → HH 또는 X → HY 붕괴에 부합하는 레조넌스 신호 증거가 있는가?
• RQ3 관측된 상한은 와이드드 엑스트라 디멘전스와 NMSSM와 같은 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 (mγγ, mjj) 평면에서 배경만 존재하는 가설에 대한 관측된 편차의 국소 유의수준은 무엇인가?
• RQ5 제트 에너지 스케일, 피로우업, b-태깅으로 인한 체계적 불확실성은 최종 상한에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스핀-0 X 레조넌스에 대한 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 95% 신뢰수준 상한은 X와 Y의 질량에 따라 0.90 fb에서 0.04 fb 사이로 변동한다.
• X가 650 GeV이고 Y가 90 GeV일 때 관측된 최대 국소 유의수준은 3.8σ이며, 전역 유의수준은 2.8σ 이하이다.
• 모든 관측된 편차가 배경 변동과 일치하므로, Look-elsewhere 효과를 고려한 후에도 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 상한은 와이드드 엑스트라 디멘전스와 NMSSM의 맥락에서 해석되었으며, Mpl와 중력보 질량 스케일과 같은 모델 매개변수에 대한 제약를 제공한다.
• X 질량이 260–1000 GeV이고 Y 질량이 90–800 GeV일 경우, γγbb 최종 상태에서 X → HH 및 X → HY 붕괴에 대해 현재까지 가장 엄격한 상한을 설정하였다.
• 전용 제어 영역과 데이터 기반 배경 추정을 사용하여 신호 모델을 검증하였으며, 체계적 불확실성은 핵심 영역에서 10% 이하로 잘 제어되었다.