[논문 리뷰] Search for heavy resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a Higgs boson in final states with leptons and $b$-jets in $139~$fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~$TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.외 2922명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 ATLAS 검출기에서 Z 또는 W 보손과 힉스 보손으로 붕괴하는 무거운 공명 상태를 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 생산 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한은 0.3 fb에서 1.3 pb 사이로, 벤치마크 모델에서 3.2 TeV 이하의 Z′ 및 W′ 보손을 배제하고, 무거운 벡터 트리플렛 모델과 이중 힉스 듀블릿 모델의 매개변수를 제약한다.

ABSTRACT

This article presents a search for new resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a 125 GeV Higgs boson $h$, and it targets the $ν\barνb\bar{b}$, $\ell^+\ell^-b\bar{b}$, or $\ell^{\pm}νb\bar{b}$ final states, where $\ell=e$ or $μ$, in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions of $Zh$ or $Wh$ candidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 125 GeV의 힉스 보손과 Z 또는 W 보손으로 붕괴하는 새로운 무거운 공명 상태를 탐색하기 위해.
• 계층 문제를 다루고 확장된 스칼라 섹터를 포함하는 모델, 예를 들어 무거운 벡터 트리플렛 모델과 이중 힉스 듀블릿 모델을 탐색하기 위해.
• 개선된 재구성 및 분석 기법을 통해 고질량 공명 상태에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 더 큰 데이터셋과 향상된 b-태깅 및 운동학적 선택 기준을 사용하여 새로운 물리학 매개변수의 배제 한계를 설정하기 위해.

제안 방법

• 수축된 Z 및 W 보손 후보를 렙톤 붕괴(ℓ⁺ℓ⁻, ℓ±ν, νν)를 통해 재구성하고, 힉스 보손 후보를 운동량에 따라 b-쿼크 제트 또는 대형 반경 제트를 통해 재구성한다.
• 채널에 따라 차별화된 공명 질량의 대체 지표를 사용하여 재구성된 Z/W 및 힉스 후보를 Z′/W′ 또는 A 공명 가설로 조합한다.
• 운동학적 및 이벤트 수준 변수(특히 ννbb 채널에서의 Eₜₘᵢₛₛ 의미성 포함)를 사용하여 신호 영역과 배경이 우세한 제어 영역에서 최적화된 선택 기준을 적용한다.
• 관측된 분포를 해석하기 위해 데이터에 대한 박스형 최대우도 적합을 수행하며, 배경 정규화는 적합에서 추출된다.
• 고질량에서의 신호 수용률을 향상시키기 위해 가변 반경 트랙 제트를 사용한 향상된 b-태깅을 활용한다.
• 단면적 제약를 백그라운드 정규화를 통해 백그라운드 정규화를 통해 모델 매개변수(예: 결합 스케일 gF, gH, tanβ, cos(β−α))에 대한 제약로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 범위 220 GeV에서 5 TeV 사이에서 Z′ → Zh 및 W′ → Wh 공명 상태의 생산 단면적 × 분해율에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 향상된 b-태깅 및 제트 재구성 기법은 ννbb, ℓ±νbb 및 ℓ⁺ℓ⁻bb 최종 상태에서 고질량 공명 상태에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 2, 3 및 4 TeV의 공명 질량에서 Z′ 및 W′ 보손의 결합 강도 매개변수 gF 및 gH에 대한 제약는 무엇인가?
• RQ4 A → Zh 붕괴 채널에서 CP-홀드 스칼라 보손 A에 대한 배제 한계는 무엇이며, 이는 2HDM 시나리오에서 tanβ 및 cos(β−α)를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 민감도 및 질량 영역 측면에서 이전 ATLAS 및 CMS 탐색에 비해 결과는 어떻게 향상되었는가?

주요 결과

• 모든 ννbb, ℓ±νbb 및 ℓ⁺ℓ⁻bb 최종 상태에서 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 이는 표준 모형 예측과 일치한다.
• Z′ → Zh 생산 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한은 300 GeV에서 0.9 pb에서 5 TeV에서 0.3 fb 사이로 변동한다.
• gV = 1인 HVT 벤치마크 모델 A에서는 Z′ 질량이 2.8 TeV 이하인 경우가 배제된다; gV = 3인 모델 B에서는 Z′ 질량이 3.2 TeV 이하인 경우가 배제된다.
• W′ → Wh 생산 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한은 400 GeV에서 1.3 pb에서 5 TeV에서 0.4 fb 사이로 변동하며, 모델 A(gV = 1)에서는 W′ 질량이 2.95 TeV 이하, 모델 B(gV = 3)에서는 3.3 TeV 이하인 경우가 배제된다.
• CP-홀드 스칼라 A → Zh의 경우, gggA 및 bbA 생산 단면적에 대한 95% 신뢰수준 상한은 220 GeV에서 2 TeV 사이에서 0.6 pb에서 3 fb 사이로 변동하며, Type-I, Type-II, 렙톤 특화형 및 플립 2HDM에서 tanβ 및 cos(β−α)를 제약한다.
• 이전 ATLAS 결과 대비 민감도 향상은 220 GeV에서 약 50%에서 5 TeV에서 약 400%까지 범위를 가지며, 주로 향상된 b-태깅과 더 큰 데이터셋 덕분이다.