[논문 리뷰] Search for invisible Higgs boson production with the CMS detector at the LHC

Matthew Chasco|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMS 검출기에서 확보한 √s = 7 TeV 및 8 TeV에서의 5.1 fb⁻¹ 및 19.6 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 비가시적 힉스 보손 붕괴를 직접 탐색한다. 분석은 ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 비가시적 힉스 최종 상태에 초점을 맞추며, 부족한 횡방향 에너지와 두 렙톤을 서명으로 사용하고, 125 GeV 힉스 보손에 대해 95% 신뢰수준 상한을 75%로 설정한다. 기대 상한은 91%이다.

ABSTRACT

Results are presented for the search for invisible Higgs boson production using the full LHC dataset corresponding to integrated luminosity of 5.1 fb^-1 and 19.6 fb^-1 of proton-proton collision data at sqrt(s)= 7 TeV and 8 TeV (respectively) collected by the CMS detector. The invisible Higgs is searched for in final states of missing transverse energy, with two leptons from a recoiling Z boson. No significant excess is found beyond standard model predictions, and limits are obtained on the branching fraction of the Higgs boson to invisible particles.

연구 동기 및 목표

• 완전한 7 및 8 TeV 데이터셋을 이용해 LHC에서 비가시적 힉스 붕괴를 직접 탐색하기 위해.
• 힉스 보손이 암흑 물질 또는 중력 스칼라 모드와 같은 탐지되지 않는 입자로 붕괴할 수 있다는 가설을 테스트하기 위해, 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사한다.
• ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + H(비가시적) 서명을 이용해 모형에 종속되지 않는 힉스 보손의 비가시적 입자로의 붕괴 분율에 대한 한계를 설정하기 위해.
• 횡방향 질량 변수 m_T에 대한 형상 분석을 적용하여 신호와 주요 ZZ 배경을 구별함으로써 감도를 향상시키기 위해.
• 105–145 GeV의 힉스 질량 범위 전반에 걸쳐 비가시적 붕괴 분율을 제약하기 위해.

제안 방법

• 분석은 Z 보손이 두 렙톤으로 붕괴하고 힉스 보손이 비가시적으로 붕괴하여 부족한 횡방향 에너지를 생성하는 ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 비가시적 힉스 최종 상태를 대상으로 한다.
• 두 개의 분리된 렙톤(e⁺e⁻, μ⁺μ⁻ 또는 eμ)과 상당한 부족한 횡방향 에너지를 기반으로 이벤트를 선별하며, QCD 및 토크 쿼크 배경을 억제하기 위한 추가 조건을 적용한다.
• 횡방향 질량 m_T는 ZH 및 ZZ 최종 상태 간의 운동량 차이를 이용하기 위해 사용되며, 정의는 m_T² = (E_T,ℓℓ + E_T,miss)² - |p_T,ℓℓ + p_T,miss|² 이다.
• 배경은 POWHEG, MadGraph 및 PYTHIA를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션으로 모델링되며, 수직 영역에서의 제어 샘플을 이용한 데이터 기반 방법으로 검증된다.
• 체계적 불확실성은 로그정규 분포 사전을 사용하여 전파되며, 주요 원천으로는 PDF, QCD 스케일 변화, 루미너스 및 렙톤 재구성 효율성 등이다.
• 95% 신뢰수준에서 비가시적 붕괴 분율에 대한 상한을 설정하기 위해 수정된 빈도주의 CL_S 방법과 프로파일-가능도 검정 통계량이 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 생산률을 가정할 때, 힉스 보손의 비가시적 입자로의 붕괴 분율에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 7 및 8 TeV LHC 데이터를 사용하여 ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 비가시적 최종 상태에서 비가시적 힉스 붕괴의 직접 신호를 관측할 수 있는가?
• RQ3 횡방향 질량 m_T 변수는 주요 ZZ 배경과 ZH 신호를 구별하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 105에서 145 GeV의 힉스 질량 범위에서 비가시적 힉스 붕괴에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 특히 PDF 및 QCD 스케일 변화에 기인한 체계적 불확실성은 비가시적 붕괴 분율에 대한 최종 상한에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 데이터에서 표준모형 예측을 초월한 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 관측 수익은 배경 전용 예측과 일치한다.
• 125 GeV의 힉스 보손에 대해 관측된 95% 신뢰수준 상한은 비가시적 붕괴 분율이 75%이며, 기대 상한은 91%이다.
• 히iggs 질량이 증가함에 따라 비가시적 붕괴 분율 상한도 증가하여, 145 GeV에서 관측 상한은 85%, 기대 상한은 105%에 이른다.
• 횡방향 질량 m_T는 운동량 변수 중에서 가장 높은 감도를 보이며, 각 힉스 질량 지점에서 기대 상한을 가장 낮게 만든다.
• 체계적 불확실성은 주로 이론적 원인에 의해 결정되며, 특히 W±Z 및 ZZ 과정에서의 QCD 스케일 변화와 PDF 불확실성이 주요 원인이다.
• 수직 영역에서의 ee, μμ 및 eμ 샘플을 이용한 제어 샘플 방법은 α_μμ ≈ 0.6 및 α_ee ≈ 0.4의 스케일 요인들을 제공하며, b-태깅 영향을 고려해 25%의 불확실성을 할당한다.