[논문 리뷰] Search for Higgs Boson and Observation of Z Boson through their Decay into a Charm Quark-Antiquark Pair in Boosted Topologies in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여, 부스터드 위상에서 표준모형 힉스 보손이 쿠르트 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것(H → cc)에 대한 최초의 탐색을 제시한다. 분석은 고에너지 힉스 보손을 대량의 라디우스 제트에서 식별하기 위해 딥 뉴럴 네트워크 기반의 쿠르트 쿼크 태깅과 질량-상관관계가 없는 판별기를 활용한다. 이로 인해 σ(H)B(H→cc)에 대한 95% 신뢰수준 상한선은 표준모형 예측의 47배로 도출되었으며, Z → cc 붕괴는 신호 강도 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (계측) ± 0.08 (이론) ± 0.06 (통계)로 관측되었다.

ABSTRACT

A search for the standard model (SM) Higgs boson (H) produced with transverse momentum greater than 450 GeV and decaying to a charm quark-antiquark ($\mathrm{c\bar{c}}$) pair is presented. The search is performed using proton-proton collision data collected at $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Boosted H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay products are reconstructed as a single large-radius jet and identified using a deep neural network charm tagging technique. The method is validated by measuring the Z $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay process, which is observed in association with jets at high $p_\mathrm{T}$ for the first time with a signal strength of 1.00 $_{-0.14}^{+0.17}$ (syst) $\pm$ 0.08 (theo) $\pm$ 0.06 (stat), defined as the ratio of the observed process rate to the standard model expectation. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(H) $\mathcal{B}$(H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$) is set at 47 (39) times the SM prediction at 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 부스터드 위상에서 표준모형 힉스 보손이 쿠르트 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것(H → cc)을 탐색하기 위해.
• 고에너지 대량 라디우스 제트에서 H → cc 붕괴를 식별하기 위해 질량-상관관계가 없는 딥 뉴럴 네트워크 기반의 쿠르트 쿼크 태킹 기술을 개발하고 적용하기 위해.
• 분석 방법론을 검증하기 위해 고에너지 pT 제트에서 Z → cc 붕괴 과정을 최초로 관측하기 위해.
• 글루온-글루온 융합 생성 모드에서 힉스 보손의 쿠르트 쿼크로의 붕괴 분율에 대한 95% 신뢰수준 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용한다.
• 고에너지 pT 대량 라디우스 제트는 제트의 하위구조 관측량을 사용하여 잠재적인 H → cc 붕괴 생성물로 재구성하고 식별한다.
• 질량-상관관계가 없는 딥 뉴럴 네트워크(DNN) 판별기가, 쿠르트 쿼크 제트와 경량 쿼크 및 바텀 쿼크 제트를 구분하도록 훈련된다.
• 방법론은 고에너지 이벤트에서 Z → cc 붕괴율을 측정함으로써 검증되며, 이는 신호 강도 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (계측) ± 0.08 (이론) ± 0.06 (통계)로 관측된다.
• 다양한 신호 영역과 제어 영역에 동시에 피팅을 수행하여 신호 단면적을 추출하며, H → cc, Z → cc, QCD 다중제트 및 기타 배경의 제트 질량 분포를 모델링한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 신호 및 배경 모델링을 하며, 고차수 QCD 및 전자약 상호작용 효과에 대한 보정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 부스터드 위상에서 힉스 보손이 쿠르트 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것을 관측할 수 있는가?
• RQ2 딥 뉴럴 네트워크 기반의 쿠르트 쿼크 태킹 기술은 고에너지 pT 대량 라디우스 제트에서 H → cc 붕괴에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 고에너지 pT 제트에서 Z → cc 붕괴 과정을 관측할 수 있으며, 이는 분석 기술의 검증으로서 기능하는가?
• RQ4 95% 신뢰수준에서 글루온-글루온 융합 생성 모드에서 힉스 보손의 쿠르트 쿼크로의 붕괴 분율에 대한 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• 고에너지 전방 운동량에서 제트와 연관된 Z → cc 붕괴 과정이 최초로 관측되었으며, 신호 강도는 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (계측) ± 0.08 (이론) ± 0.06 (통계)이다.
• 관측된 σ(H)B(H → cc)에 대한 상한선은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 47배이다.
• 기대되는 σ(H)B(H → cc)에 대한 상한선은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 39배이다.
• 딥 뉴럴 네트워크 기반의 쿠르트 쿼크 태킹 기술은 주요 QCD 다중제트 배경과 H → cc 신호를 성공적으로 분리한다.
• 질량-상관관계가 없는 판별기를 사용하여 부스터드 힉스 탐색에서 신호 민감도를 향상시킬 수 있음을 분석이 입증한다.
• 결과는 글루온-글루온 융합 생성 모드에서 제2세대 페르미온, 특히 쿠르트 쿼크에 대한 힉스 보손 결합에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.