[논문 리뷰] Search for new Higgs bosons via same-sign top quark pair production in association with a jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2348명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 62인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 138 fb⁻¹의 CMS 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 같은 전하의 쿼크 쌍 생성과 함께 제트를 포함한 새로운 힉스 보손(H/A)을 탐색한다. 일반화된 이중 힉스 듀블릿 모형(g2HDM)에서 스칼라 및 페시볼라 힉스 보손을 200–1000 GeV 범위 내에서 새로운 요카다 상호작용(ρtu, ρtc)을 포함하여, 최대 1.0까지 분석하였으며, 유의미한 초과가 관측되지 않았고, 95% 신뢰수준 이상의 배제 한계를 설정하였다.

ABSTRACT

A search is presented for new Higgs bosons in proton-proton (pp) collision events in which a same-sign top quark pair is produced in association with a jet, via the pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$c and pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$u processes. Here, H and A represent the extra scalar and pseudoscalar boson, respectively, of the second Higgs doublet in the generalized two-Higgs-doublet model (g2HDM). The search is based on pp collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Final states with a same-sign lepton pair in association with jets and missing transverse momentum are considered. New Higgs bosons in the 200-1000 GeV mass range and new Yukawa couplings between 0.1 and 1.0 are targeted in the search, for scenarios in which either H or A appear alone, or in which they coexist and interfere. No significant excess above the standard model prediction is observed. Exclusion limits are derived in the context of the g2HDM.

연구 동기 및 목표

• 일반화된 이중 힉스 듀블릿 모형(g2HDM)을 통해 같은 전하의 쿼크 쌍 생성과 함께 제트를 포함한 새로운 힉스 보손(H와 A)을 탐색한다.
• 전자약력 대칭 깨짐과 뮤온 g−2 이상 현상 등을 설명할 수 있는 새로운 요카다 상호작용(ρtu와 ρtc)을 탐색한다.
• 200–1000 GeV 범위 내에서 H와 A 보손이 동시에 존재하고 간섭하는 경우 또는 개별적으로 존재하는 경우를 테스트한다.
• 높은 통합 루미너시티를 가진 LHC 런 2 데이터를 사용하여 새로운 힉스 보손과 그 상호작용에 대한 배제 한계를 설정한다.

제안 방법

• 2016년부터 2018년까지 CMS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석하며, 통합 루미너시티는 138 fb⁻¹이다.
• 두 개의 같은 전하의 렙톤, 최소 세 개의 제트(두 개의 b 제트 포함), 한 개의 u 또는 c 쿼크에서 기인한 제트, 그리고 부족한 횡방향 동량을 포함한 최종 상태 서명을 사용한다.
• CMS 입자 흐름 알고리즘을 활용하여 물체 재구성 및 선택을 수행하며, 트래킹, ECAL, HCAL, 그리고 뮤온 검출기 정보를 통합한다.
• 몬테카를로 방법을 사용하여 신호 및 배경 과정을 시뮬레이션하며, 표준모형 과정과 다양한 H/A 질량 및 요카다 상호작용을 가진 g2HDM 신호 모델을 포함한다.
• 신호 수확을 위해 최대우도 기반 피팅을 수행하여 신호 수확량을 추정하고, 신호 강도에 대한 상한선을 설정한다.
• 제트 에너지 스케일, 렙톤 식별, 배경 모델링 등에서 발생하는 체계적 불확실성을 정량화하며, 특히 비프롬프트 렙톤과 잘못 식별된 제트의 기여를 중심으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 같은 전하의 쿼크 쌍 생성과 함께 제트를 포함한 경우, 200–1000 GeV 질량 범위 내의 새로운 힉스 보손(H 또는 A)을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 g2HDM 프레임워크 내에서 새로운 힉스 보손의 생성 단면적과 요카다 상호작용(ρtu, ρtc)에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ3 H와 A 보손 간의 간섭 효과가 둘 다 존재하는 경우 탐색 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 신호 부재는 스칼라 및 페시볼라 힉스 보손과의 강화된 쿼크 쿼크 상호작용을 포함하는 새로운 물리 현상에 대해 어느 정도 제약을 가하는가?

주요 결과

• 같은 전하의 쿼크 쌍 생성 최종 상태와 함께 제트를 포함한 경우, 표준모형 예측을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 200–1000 GeV 질량 범위 내에서 요카다 상호작용(ρtu, ρtc)이 0.1에서 1.0 사이인 새로운 힉스 보손에 대해 95% 신뢰수준에서 배제 한계가 설정되었다.
• g2HDM에서 H/A 보손의 질량이 500 GeV 이하인 경우, 요카다 상호작용 ρtu = ρtc = 1.0일 때 배제되었다. 이는 H/A의 양자 수치에 따라 달라진다.
• H와 A가 동시에 존재하는 경우 간섭 효과에 대해 저항력이 있으며, 함께 존재하는 시나리오에 대한 배제 한계가 도출되었다.
• 비프롬프트 렙톤과 잘못 식별된 제트의 배경 기여는 잘 제어되었으며, 핵심 영역에서 체계적 불확실성은 10% 이하였다.
• g2HDM 내에서 새로운 힉스 보손에 대한 같은 전하의 쿼크 쌍 생성과 함께 제트를 포함한 경우, 이 분석은 현재까지 가장 엄격한 배제 한계를 설정하였다.