[논문 리뷰] Search for Higgs bosons decaying to $aa$ in the $μμττ$ final state in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = $ 8 TeV with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 2012년에 수집한 √s = 8 TeV에서의 20.3 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 이용해, μμττ 최종 상태에서 힉스 보손이 쌍의 경량 편미분자 힉스 보손(a)으로 붕괴하는 것을 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, mₐ = 3.75 GeV일 때 표준모형 gg → h에 비해 h → aa 생성의 가장 엄격한 상한은 3.5%이며, mₐ = 5 GeV이고 mₕ가 100에서 500 GeV 사이일 때 H → aa 횡단분할의 추가적인 상한은 0.72에서 2.33 pb 사이이다.

ABSTRACT

A search for the decay to a pair of new particles of either the 125 GeV Higgs boson ($h$) or a second CP-even Higgs boson ($H$) is presented. The dataset correspods to an integrated luminosity of 20.3 fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=$ 8 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC in 2012. The search was done in the context of the next-to-minimal supersymmetric standard model, in which the new particles are the lightest neutral pseudoscalar Higgs bosons ($a$). One of the two $a$ bosons is required to decay to two muons while the other is required to decay to two $τ$-leptons. No significant excess is observed above the expected backgrounds in the dimuon invariant mass range from 3.7 GeV to 50 GeV. Upper limits are placed on the production of $h ightarrow{aa}$ relative to the Standard Model $gg ightarrow{h}$ production, assuming no coupling of the $a$ boson to quarks. The most stringent limit is placed at 3.5\% for $m_a =$ 3.75 GeV. Upper limits are also placed on the production cross section of $H ightarrow{aa}$ from 2.33 pb to 0.72 pb, for fixed $m_a$ = 5 GeV with $m_H$ ranging from 100 GeV to 500 GeV.

연구 동기 및 목표

• 다음에 최소한의 초대칭 표준모형(NMSSM)의 맥락에서, 힉스 보손이 쌍의 경량 편미분자 힉스 보손(a)으로 붕괴하는 비가시적 또는 이국적인 힉스 붕괴를 탐색하기 위해.
• 뉴클레온 모형을 초월한 새로운 물리학에 민감한 서명을 제공하는, 뉘앙스가 있는 경량 편미분자 힉스 보손(a)이 뮤온과 타우 렙톤으로 붕괴하는 존재를 탐색하기 위해.
• a 보손이 쿼크와 결합하지 않는다고 가정할 때, 125 GeV 힉스 보손이 두 개의 경량 a 보손으로 붕괴하는 분해비에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• 다양한 힉스 질량에 대해 더 무거운 CP-짝성 힉스 보손(H)이 두 개의 a 보손으로 붕괴하는 생산 횡단분할에 대한 상한을 설정하기 위해.

제안 방법

• 분석은 2012년 ATLAS 실험에서 수집한 √s = 8 TeV에서의 20.3 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 최종 상태에서 두 개의 뮤온과 두 개의 타우 렙톤을 포함하는 사건이 선택되며, 이중 뮤온의 진동질량을 재구성하여 a 보손 질량 영역을 탐색한다.
• 이 검색은 a 보손이 가장 가벼운 중성 편미분자 힉스 보손이 되는 NMSSM 프레임워크 내에서 수행되며, 한 개는 μμ로, 다른 한 개는 ττ로 붕괴한다.
• Drell-Yan, 톰 쿼크 쌍, 벡터 보손 융합 등의 표준모형 과정에서 유래하는 배경는 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 기반 방법을 통해 추정된다.
• 신호 영역은 이중 뮤온 진동질량이 3.7 GeV에서 50 GeV 사이에 있어야 하며, 이는 a 보손 질량 범위에 해당한다.
• 체계적 불확실성을 배경 및 신호 모델링에 적절히 반영하여, 신호 생산에 대한 상한을 프로파일리스크리얼리티 비율 검정을 통해 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 125 GeV 힉스 보손이 μμττ 최종 상태에서 두 개의 경량 편미분자 힉스 보손(a)으로 붕괴하는 분해비에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ2 3.7 GeV에서 50 GeV 사이의 이중 뮤온 질량 창에서 신호가 관측되지 않은 것은, 경량 a 보손에 대한 NMSSM 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가요?
• RQ3 고정된 mₐ = 5 GeV일 때, mₕ가 100에서 500 GeV 사이로 변할 때, 더 무거운 CP-짝성 힉스 보손(H)이 두 개의 a 보손으로 붕괴하는 생산 횡단분할에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ4 a 보손이 쿼크와의 결합이 없을 경우, μμττ 최종 상태는 이국적인 힉스 붕괴에 대해 얼마나 민감한가요?
• RQ5 SM gg → h 생산에 비해 h → aa 생산에 대한 가장 엄격한 상한은 무엇이며, 어느 a 보손 질량에서 달성되었나요?

주요 결과

• 3.7 GeV에서 50 GeV 사이의 이중 뮤온 진동질량 범위에서 기대되는 표준모형 배경 이상의 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• mₐ = 3.75 GeV일 때, SM gg → h 생산에 비해 h → aa 생산에 대한 가장 엄격한 상한은 3.5%이다.
• mₐ = 5 GeV일 경우, H → aa 생산 횡단분할에 대한 상한은 H 보손의 질량(mₕ)이 100 GeV에서 500 GeV 사이일 때 0.72 pb에서 2.33 pb 사이로 변한다.
• a 보손이 쿼크와의 결합이 없다는 가정 하에 유도된 것으로, 이는 신호 모델을 단순화하고 감도를 향상시킨다.
• 특히 mₐ < 10 GeV 영역에서 이전의 제약 조건보다 향상된 결과를 제공한다.
• 이 분석은 NMSSM 프레임워크 내에서 경량 a 보손에 대해 μμττ 최종 상태에서 h → aa 붕괴에 대한 현재까지 가장 엄격한 상한을 설정한다.