[논문 리뷰] Search for doubly charged Higgs boson production in multi-lepton final states using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2942명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 실험에서 13 TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여 동일 전하 렙톤 최종 상태에서 이중으로 양성인 힉스 보손(H±±)을 위한 탐색을 수행한다. 신호는 관측되지 않았으며, 이는 좌우 대칭형 타입-II 시즈모델에서 95% 신뢰수준에서 H±± 질량에 대한 가장 강력한 관측된 하한값 1080 GeV과 지에–바부 모델에서 900 GeV을 제공한다.

ABSTRACT

A search for pair production of doubly charged Higgs bosons ($H^{\pm \pm}$), each decaying into a pair of prompt, isolated, highly energetic leptons with the same electric charge, is presented. The search uses a proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. This analysis focuses on same-charge leptonic decays, $H^{\pm \pm} ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\prime \pm}$ where $\ell, \ell^\prime=e, \mu, au$, in two-, three-, and four-lepton channels, but only considers final states which include electrons or muons. No evidence of a signal is observed. Corresponding limits on the production cross-section and consequently a lower limit on $m(H^{\pm \pm})$ are derived at 95% confidence level. Assuming that the branching ratios to each of the possible leptonic final states are equal, $\mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm e^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow au^\pm au^\pm) = 1/6$, the observed lower limit on the mass of a doubly charged Higgs boson is 1080 GeV within the left-right symmetric type-II seesaw model, which is an improvement over previous limits. Additionally, a lower limit of $m(H^{\pm \pm})$ = 900 GeV is obtained in the context of the Zee-Babu neutrino mass model.

연구 동기 및 목표

• 다중 렙톤 최종 상태에서 쌍으로 생성된 이중으로 양성인 힉스 보손(H±±)이 동일 전하 렙톤 쌍으로 붕괴하는 것을 탐색한다.
• 좌우 대칭형 타입-II 시즈모델과 지에–바부 중성자 질량 모델에서 H±± 질량에 대한 가장 엄격한 실험적 한계를 설정한다.
• H±± 생성 및 동일 전하 렙톤으로 붕괴를 통해 Zee–Babu 모델에 대한 LHC에서의 첫 번째 직접 테스트를 수행한다.
• 레프톤과의 H±± 결합을 조사하여 표준모형을 초월하는 물리학(BSM)을 제약한다.

제안 방법

• 분석은 LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV의 pp 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용한다.
• 이벤트는 재구성된 전자 및 뮤온을 사용하여 재구성되며, 즉각적이고 고립되어 있으며 고가시성 운동량을 가진 렙톤을 요구한다.
• 분석은 타우 렙톤을 최종 상태에서 배제하고, 전자와 뮤온만을 포함하는 두, 세, 네 렙톤 최종 상태에 집중한다.
• 전하 오식별 및 가짜/비순수 렙톤 배경는 데이터 기반 기법과 시뮬레이션을 사용하여 추정된다.
• 재구성, 선택 및 배경 추정에 대한 체계적 불확실성을 평가하며, 신호 횡단단면에 대한 상한을 설정하기 위해 통합 통계적 피팅을 사용한다.
• 질량에 따라 H±± 생성 횡단단면에 대한 상한이 유도되며, 모든 여섯 가지 렙톤 최종 상태(각각 1/6)에 동일한 분해비율을 가정하여 질량 한계가 추출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 95% 신뢰수준에서 H±± →ℓ±ℓ′± 붕괴 모드에서 이중으로 양성인 힉스 보손의 생성 횡단단면에 대한 상한은 얼마인가?
• RQ2 런 2 ATLAS 데이터 기반으로 좌우 대칭형 타입-II 시즈모델에서 H±± 질량에 대한 가장 엄격한 하한값은 얼마인가?
• RQ3 Zee–Babu 중성자 질량 모델은 H±± 생성 및 동일 전하 렙톤 붕괴를 통해 LHC에서 직접적으로 테스트될 수 있는가?
• RQ4 다양한 BSM 모델에서 동일 전하 렙톤 최종 상태를 가진 H±± 질량의 관측된 및 예상된 한계는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 두, 세, 네 렙톤 동일 전하 최종 상태에서 어떤 신호도 유의미하게 관측되지 않았다.
• 좌우 대칭형 타입-II 시즈모델에서 관측된(기대된) H±± 질량 하한은 각각 95% 신뢰수준에서 1080 GeV(1065 GeV)이다.
• Zee–Babu 모델에 대한 LHC에서의 첫 번째 직접 테스트는 관측된(기대된) H±± 질량 하한을 각각 900 GeV(880 GeV)로 제공한다.
• 분석은 이론적 예측에 부합하는 여섯 가지 가능한 동일 전하 렙톤 최종 상태(e±e±, e±μ±, μ±μ±, e±τ±, μ±τ±, τ±τ±) 각각에 대해 1/6의 동일한 분해비율을 가정한다.
• 이전 ATLAS 및 CMS의 한계를 향상시켜, 이 모델들에서 H±± 질량에 대한 현재까지 가장 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 연구는 400–1300 GeV 질량 범위에서 Drell–Yan 생성 메커니즘이 다른 메커니즘(예: 벡터 보존 융합, 글루온 융합)보다 지배적임을 확인한다.