[논문 리뷰] Search for an exotic decay of the Higgs boson into a Z boson and a pseudoscalar particle in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2360명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초기자성 보손인 H → Za에서, 편미분자 a가 두 광자로 붕괴하고 Z 보손이 두 레프톤으로 붕괴하는 경우를 위한 LHC에서의 첫 번째 검색을 제시한다. √s = 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여, m_a 범위 1–30 GeV에서 H → Za → ℓℓγγ 횡단분포에 대해 95% 신뢰수준 상한을 설정하였다. 관측된(기대된) 상한은 각각 1.1–17.8 fb(1.7–17.9 fb)였으며, m_a = 3 GeV에서 局부(전역) 의미도 2.6(1.3)σ 초과를 관측하였다.

ABSTRACT

A search for an exotic decay of the Higgs boson to a Z boson and a light pseudoscalar particle (a), decaying to a pair of leptons and a pair of photons, respectively, is presented. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The analysis probes pseudoscalar masses $m_\mathrm{a}$ between 1 and 30 GeV, leading to two pairs of well-isolated leptons and photons. Upper limits at 95% confidence level are set on the Higgs boson production cross section times its branching fraction to two leptons and two photons. The observed (expected) limits are in the range of 1.1-17.8 (1.7-17.9) fb within the probed $m_\mathrm{a}$ interval. An excess of data above the expected standard model background with a local (global) significance of 2.6 (1.3) standard deviations is observed for a mass hypothesis of $m_\mathrm{a}$ = 3 GeV. Limits on models involving axion-like particles, formulated as an effective field theory, are also reported.

연구 동기 및 목표

• 프로톤-프로톤 충돌에서 H → Za → ℓℓγγ 붕괴를 통해 가벼운 편미분자 입자(a)와 Z 보손으로의 비표준 힉스 붕괴를 탐색하기 위함.
• LHC에서 H → Za → ℓℓγγ 붕괴 모드를 통해 축상 유사 입자(AXION-LIKE PARTICLES, ALPs) 존재성을 탐색하기 위함.
• m_a가 1에서 30 GeV 사이일 때 힉스 보손 붕괴 분율과 생산 횡단분포의 곱에 대해 상한을 설정하기 위함.
• √s = 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 축상 유사 입자와 관련된 효과적 장 이론 모델을 실험적으로 검증하기 위함.
• 표준모형에서 억제되는 이 비표준 붕괴 채널에 대한 첫 실험적 제약 조건을 제공하기 위함. 이는 새로운 물리학의 신호일 수 있음.

제안 방법

• 분석은 CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 사용한다.
• 이벤트는 두 개의 잘 분리된 레프톤(전자 또는 뮤온)과 두 개의 광자로 구성되며, Z → ℓℓ 및 a → γγ 붕괴와 일치한다.
• 신호 모델링은 m_a가 1에서 30 GeV 사이인 H → Za에 대해 최초 순서 행렬 원소 생성기(MADGRAPH5 aMC@NLO)를 사용하여 수행된다.
• 배경는 주로 데이터로부터 모델링되며, 제트가 광자로 잘못 식별된 Drell–Yan Z + 제트 이벤트를 포함한다.
• 운동량 및 기하학적 변수를 사용하여 다변량 분석을 적용하여 신호와 배경을 구분한다.
• 95% 신뢰수준에서 신호 횡단분포에 대한 상한을 설정하기 위해 프로파일-가능도 비율 검정을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌에서 힉스 보손이 Z 보손과 가벼운 편미분자 입자 a로 붕괴하는가? 이 경우 a는 두 광자로 붕괴하고 Z는 두 레프톤으로 붕괴한다.
• RQ2 편미분자 질량이 1에서 30 GeV 사이일 때 H → Za → ℓℓγγ 붕괴 비율에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ3 m_a = 3 GeV와 일치하는 ℓℓγγ 최종 상태에서 레조네이스 또는 초과가 관측되는가?
• RQ4 결과는 힉스 및 Z 보손과 결합하는 축상 유사 입자를 포함하는 효과적 장 이론 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 ℓℓγγ 최종 상태에서 관측된 초과의 의미는 표준모형 배경을 초월하여 어느 정도인가?

주요 결과

• m_a가 1에서 30 GeV 사이일 때, H → ℓℓγγ에 대한 생산 횡단분포와 붕괴 분율의 곱에 대해 95% 신뢰수준 상한이 설정되었으며, 관측된 값은 1.1–17.8 fb, 기대된 값은 1.7–17.9 fb였다.
• m_a = 3 GeV일 때, 기대되는 표준모형 배경을 초월하는 데이터 초과가 관측되었으며, 局부 의미도 2.6σ, 전역 의미도 1.3σ였다.
• 관측된 의미도는 국부적 의미도 2.6σ에 해당하여 잠재적인 신호 유사 변동을 나타내지만, 다중 테스트 보정 후 통계적으로 유의미하지 않다.
• 이 분석은 LHC에서 H → Za → ℓℓγγ 붕괴 모드에 대해 첫 실험적 상한을 설정하였으며, 축상 유사 입자를 탐색하는 데 새로운 채널을 제공한다.
• 결과는 특히 m_a < 30 GeV의 저질량 영역에서 축상 유사 입자를 포함하는 효과적 장 이론 모델을 제약한다.
• 신호 선택 효율은 다양한 m_a 값에서 우수하게 유지되었으며, 포함된 힉스 생성에 비례하여 정규화했을 때 생산 모드 간의 차이는 극히 미미했다(1% 미만).