[논문 리뷰] Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2352명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 H → Zγ 붕괴를 위한 탐색을 수행한다. 생산 메커니즘에 따라 이벤트를 분류하고 다변량 분석을 통해 감도를 향상시켜 신호 강도 μ = 2.4 ± 0.9를 측정하였으며, 이는 σ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pb에 해당하며 국소적 유의수준은 2.7σ이다. 또한 B(H → Zγ)/B(H → γγ) = 1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측과 1.5σ 수준에서 일치한다.

ABSTRACT

Results are presented from a search for the Higgs boson decay H$ o$Z$\gamma$, where Z$ o\ell^+\ell^-$ with $\ell$ = e or $\mu$. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strength $\mu$, defined as the product of the cross section and the branching fraction [$\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$] relative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the $\ell^+\ell^-\gamma$ invariant mass distributions in all categories and is found to be $\mu$=2.4$\pm$0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to $\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$ = 0.21$\pm$0.08 pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level on $\mu$ is 4.1 (1.8). The ratio of branching fractions $\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)/\mathcal{B}($H$ o\gamma\gamma)$ is measured to be 1.5$^{+0.7}_{-0.6}$, which agrees with the standard model prediction of 0.69 $\pm$ 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 희귀한 힉스 붕괴 H → Zγ (Z → ℓ⁺ℓ⁻)를 탐색하기 위해.
• H → Zγ 붕괴 분율과 H → γγ에 대한 비율을 정밀 측정하여 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하기 위해.
• ggF, VBF, VH, ttH와 같은 구분 가능한 힉스 생성 메커니즘에 따라 이벤트를 분류하여 감도를 향상시키기 위해.
• 신호 강도 μ = σ(pp → H)B(H → Zγ)/σ_SM(pp → H)B_SM(H → Zγ)를 측정하고 표준모형 예측과의 일치성을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 분석은 CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 추가 렙톤의 존재(위/지 또는 탑 쿼크 붕괴에서 유래), 이중제트 운동량(위해 VBF에 대해), ℓ⁺ℓ⁻γ의 진동 질량 구조에 따라 분류된다.
• 다변량 분석(MVA) 판별기가 각 카테고리에서 신호와 배경을 구분하기 위해 훈련되었으며, 운동학적 차이를 활용한다.
• 모든 카테고리에서 ℓ⁺ℓ⁻γ의 진동 질량 분포에 대해 동시에 최대우도 적합을 수행하여 신호 강도와 한계를 추출한다.
• 배경는 Drell–Yan + γ 및 Drell–Yan + 잡스로 모델링되며, 잘못 식별된 광자 또는 렙톤을 포함한다.
• 신호 및 배경 모델링의 체계적 불확실성은 검출기 효과, 제트 에너지 스케일, 광자 식별 등에 대해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV pp 충돌에서 힉스 붕괴 H → Zγ가 관측되었는가? 그리고 표준모형 예측 대비 신호 강도는 어떻게 되는가?
• RQ2 B(H → Zγ)/B(H → γγ)의 측정값은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 ℓ⁺ℓ⁻γ의 진동 질량 분포에서 관측된 초과 현상은 배경만 존재하는 가설로 설명될 수 있는가?
• RQ4 95% 신뢰수준에서 σ(pp → H)B(H → Zγ)의 관측 및 예상 상한은 각각 얼마인가?
• RQ5 다양한 힉스 생성 메커니즘에 따라 탐색의 감도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 신호 강도는 μ = 2.4 ± 0.9로 측정되었으며, 이는 배경만 존재하는 가설 대비 2.7σ 국소적 유의수준의 초과를 나타낸다.
• 관측된 충돌 단면적과 붕괴 분율의 곱은 σ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pb이다.
• 배경만 존재하는 가설 하에서 관측된(기대된) 95% 신뢰수준에서의 μ 상한은 각각 4.1(1.8)이다.
• 붕괴 분율 비율 B(H → Zγ)/B(H → γγ)는 1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶로 측정되었으며, 표준모형 예측인 0.69 ± 0.04와 1.5σ 수준에서 일치한다.
• 생산 기하학적 구조에 따라 이벤트를 분류하고 MVA 판별기를 사용하여 배경를 억제함으로써 감도가 향상되었다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 희귀한 힉스 붕괴와 H → Zγ 채널에서의 잠재적 새로운 물리학에 대한 엄격한 시험을 제공한다.