[논문 리뷰] Search for Higgs Boson Decay to a Charm Quark-Antiquark Pair in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2378명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 힉스 보손이 쿠르트 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것(H → cc)을 탐색한다. 고급 기계학습 기반의 쿠르트 져니 식별 기술과 새로운 분석 기법을 활용하여, 이 연구는 힉스-쿠르트 요카다 상수에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정한다. 관측된(기대된) 95% 신뢰수준 상한은 각각 |κc| < 5.5 (|κc| < 3.4)이며, 이는 표준모형 예측의 14(7.6+3.4−2.3) 배에 해당한다.

ABSTRACT

A search for the standard model Higgs boson decaying to a charm quark-antiquark pair, H $ o \mathrm{c\bar{c}}$, produced in association with a leptonically decaying V (W or Z) boson is presented. The search is performed with proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Novel charm jet identification and analysis methods using machine learning techniques are employed. The analysis is validated by searching for Z $ o \mathrm{c\bar{c}}$ in VZ events, leading to its first observation at a hadron collider with a significance of 5.7 standard deviations. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(VH)$\mathcal{B}$(H$ o \mathrm{c\bar{c}}$) is 0.94 (0.50$^{+0.22}_{-0.15}$) pb at 95% confidence level (CL), corresponding to 14 (7.6$^{+3.4}_{-2.3}$) times the standard model prediction. For the Higgs-charm Yukawa coupling modifier, $\kappa_\mathrm{c}$, the observed (expected) 95% CL interval is 1.1 $\lt\vert\kappa_\mathrm{C}\vert \lt$ 5.5 ($\vert\kappa_\mathrm{c}\vert\lt$ 3.4), the most stringent constraint to date.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 VH 연관 생성에서 표준모형 힉스 보손이 쿠르트 쿼크-반쿼크 쌍으로 붕괴하는 것(H → cc)을 탐색하기 위해.
• 밀도 높은 QCD 환경에서 쿠르트 져니를 식별하고, 이를 브라운 쿼크 져니와 구분하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 기계학습 기반의 져니 재구성 및 식별 기법을 활용하여 감도를 향상시키기 위해.
• 표준모형을 초월한 힉스-쿠르트 요카다 상수 수정자 κc에 대해 가장 엄격한 실험적 제약 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터 138 fb⁻¹을 사용한다.
• 작은 반경(R = 0.4)과 큰 반경(R = 1.5)의 두 종류의 져니를 활용하며, 피로잉(중합) 완화를 위해 충전된 하드론 제거 및 PUPPI 알고리즘을 적용한다.
• PF 후보 및 보조 점을 사용하여 그래프 신경망(PARTICLENET)을 적용하여 큰 반경 져니의 질량 해상도를 약 50% 향상시킨다.
• 기계학습 기반의 쿠르트 져니 식별 기법을 활용하여 융합점저(topology) 및 분리점저(topology)에서 신호 감도를 향상시킨다.
• 互斥적인 세 가지 채널을 분석한다: 0L(Z → νν), 1L(W → ℓν), 2L(Z → ℓℓ이며, 이벤트 선택은 트리거 및 고립 조건 기반으로 수행된다.
• NLO 및 NNLO QCD + NLO EW 정확도의 이벤트 생성기로 신호 모델링을 수행하며, 검출기 반응은 GEANT4를 통해 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 13 TeV에서 VH 연관 생성에서 힉스 보손이 쿠르트 쿼크로 붕괴하는 것(H → cc)에 대해 CMS 실험의 감도는 어떠한가?
• RQ2 고다수의 입자 환경에서 기계학습 기반 져니 식별 기법이 쿠르트 져니를 경량 및 브라운 쿼크 져니와 구분하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 95% 신뢰수준에서 생산 단면적 σ(VH)와 붕괴 분율 B(H → cc)의 곱에 대한 관측된 상한은 얼마인가?
• RQ4 이 분석은 표준모형 예측에 비해 힉스-쿠르트 요카다 상수 수정자 κc에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 고체 충돌기에서 고급 져니 재구성 및 식별 기법을 사용할 때, Z → cc 붕괴 모드를 관측할 수 있는가?

주요 결과

• 고체 충돌기에서 VZ 이벤트에서 Z → cc 붕괴 모드가 처음으로 5.7 표준편차의 의미를 가지며 관측되었다.
• 관측된(기대된) 95% 신뢰수준에서 σ(VH) × B(H → cc)의 상한은 각각 0.94 (0.50+0.22−0.15) pb이다.
• 관측된(기대된) 95% 신뢰수준에서 힉스-쿠르트 요카다 상수 수정자에 대한 간격은 1.1 < |κc| < 5.5 (|κc| < 3.4)이며, 이는 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 나타낸다.
• 기존의 그루밍 기법에 비해 PARTICLENET 기반의 회귀 알고리즘을 사용함으로써 큰 반경 져니의 질량 해상도가 약 50% 향상되었다.
• 융합점저(topology)는 신호 단면적의 5% 미만을 차지하지만, 강화된 재구성 효율성 덕분에 중요한 감도를 기여한다.
• 이 연구는 H → cc 탐색에서 새로운 감도 기준을 설정하였으며, 예상 경우에서 표준모형 대비 신호 강도 상한을 약 7.6 배 감소시켰다.