[논문 리뷰] Search for Higgs boson pairs decaying to WW*WW*, WW*$ au au$, and $ au au au au$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 힉스 보손 쌍 생성을 위한 탐색을 수행한다. 최종 상태로 WW*, ττ, 그리고 ττττ 붕괴를 포함한 비공진 및 공진 HH 생성을 조사하였으며, 유의미한 신호를 관측하지 못했고, 효과적 양자장 이론과 공진 모델을 통해 삼중 힉스 자기결합 상수 및 새로운 물리 모델에 대한 엄격한 제한을 설정하였다.

ABSTRACT

The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WWWW, WW$ au au$, and $ au au au au$ decay modes are presented. The search uses 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval -6.9 to 11.1 (-6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production amount to 0.18-0.90 (0.08-1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250-1000 GeV.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)에서 글루온 융합 및 벡터 보손 융합를 통한 비공진 힉스 보손 쌍(HH) 생성을 탐색한다.
• 새로운 무거운 입자 X가 두 개의 힉스 보손으로 붕괴하는 방식을 통해 공진 HH 생성을 탐색한다.
• HH 붕괴 최종 상태를 이용해 표준모형 예측에 비해 삼중 힉스 자기결합 상수의 제약 조건을 설정한다.
• 효과적 양자장 이론(EFT) 접근법을 통해 글루온과 톰 쿼크를 포함한 결합을 중심으로 새로운 물리 모델을 시험한다.
• 다양한 붕괴 채널과 공진 질량에 대해 HH 생성 단면적에 대한 상한을 설정한다.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석하였다.
• 두 개, 세 개 또는 네 개의 재구성된 레프톤(전자, 뮤온, 강입자 붕괴 타우 레프톤)을 포함한 사건을 식별하였다.
• 부스트된 决정수목과 XGBoost를 포함한 다변량 분석 기법을 사용하여 신호와 배경을 분리하였다.
• 피크업(중첩) 완화 및 제트 에너지 스케일 보정을 적용하여 재구성 정확도를 향상시켰다.
• 특히 ττττ 및 WW* 채널에서 HH 최종 상태에 대한 사건 재구성 및 진동수 질량 재구성을 수행하였다.
• 이상적 검정 통계 및 프로파일-우도비 방법을 사용하여 95% 신뢰수준에서 상한을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공진 힉스 보손 쌍 생성의 관측 단면적은 WW*, ττ, 그리고 ττττ 붕괴 모드에서 각각 얼마인가?
• RQ2 신호가 관측되지 않았을 경우, 삼중 힉스 자기결합 상수가 표준모형 예측에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ3 250에서 1000 GeV 사이의 질량을 가진 새로운 무거운 입자 X를 통한 공진 HH 생성에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 효과적 양자장 이론 결합(cg, c2g, c2)은 HH 생성 확률에 어떻게 영향을 미치며, 어떤 제한을 설정할 수 있는가?
• RQ5 다양한 최종 상태 및 공진 모델에서 HH 생성 단면적에 대한 상한은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 HH 붕괴 채널에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 비공진 HH 단면적에 대한 관측(예측) 상한은 각각 표준모형 예측의 21.3(19.4)배였다.
• 삼중 힉스 자기결합 상수의 비율은 95% 신뢰수준에서 관측 결과 [−6.9, 11.1] 및 예측 결과 [−6.9, 11.7] 사이로 제약되었다.
• 공진 HH 생성 단면적에 대한 관측(예측) 상한은 250에서 1000 GeV 사이의 공진 질량에서 각각 0.18에서 0.90 pb(0.08에서 1.06 pb) 사이였다.
• 효과적 양자장 이론 결합에 대한 제한이 설정되었으며, 테바 스케일에서 HH 생성에 대한 새로운 물리 기여가 제약되었다.
• 이 분석은 13 TeV에서 ττττ 및 WW* 최종 상태에서 HH 생성에 대해 지금까지 가장 엄격한 제한을 설정하였다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 삼중 힉스 자기결합 상수 및 무거운 공진을 가진 새로운 물리 모델에서의 큰 편차를 배제한다.