[논문 리뷰] Search for nonresonant Higgs boson pair production in final state with two bottom quarks and two tau leptons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2389명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 비공진 Higgs 보손 쌍 생성을 탐색하며, 138 fb⁻¹의 CMS 데이터를 사용해 두 개의 바텀 쿼크와 두 개의 타우 렙톤으로 이루어진 최종 상태에 초점을 맞춘다. 고도화된 기계학습 기법, 특히 DEEPTAU 및 DEEPJET 알고리즘을 활용하여, 비정상적인 Higgs 결합에 대한 엄격한 제약 조건을 설정하였으며, 95% 신뢰수준에서 Higgs 자기결합을 표준모형 예측의 −1.7배에서 8.7배 사이로 제약하였다.

ABSTRACT

A search for the nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two tau leptons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ =13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events in which at least one tau lepton decays hadronically are considered and multiple machine learning techniques are used to identify and extract the signal. The data are found to be consistent, within uncertainties, with the standard model (SM) predictions. Upper limits on the HH production cross section are set to constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level corresponds to 3.3 (5.2) times the SM prediction for the inclusive HH cross section and to 124 (154) times the SM prediction for the vector boson fusion \HH cross section. At 95% confidence level, the Higgs field self-coupling is constrained to be within -1.7 and 8.7 times the SM expectation, and the coupling of two Higgs bosons to two vector bosons is constrained to be within -0.4 and 2.6 times the SM expectation.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 글루온-글루온 융합 및 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 비공진 Higgs 보손 쌍(HH) 생성을 탐색하기 위해.
• 비정상적인 결합을 통한 편차 제약을 통해 표준모형 예측인 Higgs 자기결합을 테스트하기 위해.
• mH = 125 GeV일 때 브랜치 비율이 7.3%인 bbττ 최종 상태를 통해 HH 생성에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 신호 식별 및 배경 억제를 향상시키기 위해 고도화된 기계학습 모델과 향상된 재구성 알고리즘(DEEPTAU, DEEPJET)을 활용하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상의 매개변수 공간을 제약하기 위해 HH 생성 단면적에 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 헤드론적으로 붕괴하는 타우 렙톤과 H → bb 붕괴에서 유래한 b 쿼크 제트를 식별하기 위해 DEEPTAU 및 DEEPJET을 포함한 다양한 기계학습 기법을 적용한다.
• 두 개의 바텀 쿼크와 두 개의 타우 렙톤으로 이루어진 최종 상태를 분석하며, τµτh, τeτh 및 τhτh 붕괴 모드를 포함하여 타우-타우 붕괴의 87.6%를 커버한다.
• 다변량 분석 및 행렬 원소 방법을 사용해 이벤트 분류 및 신호 추출을 수행하여 신호와 배경을 구별한다.
• 주로 QCD 다중제트 및 세미레프톤 채널에서의 tt¯가 주요 배경이 되며, 제어 영역과 시뮬레이션을 사용해 배경 추정을 수행한다.
• 표준모형 단면적 예측을 위해 다음 이중 최고차수(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO) 정밀도 계산을 사용하며, 95% 신뢰수준에서 상한선을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 bbττ 최종 상태에서 비공진 Higgs 보손 쌍 생성 단면적에 대한 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 비정상적인 Higgs 보손 결합은 bbττ 채널에서 HH 생성률과 운동량 분포에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 기계학습 기법은 복잡한 최종 상태에서 희귀한 HH 생성에 대한 민감도를 어느 정도 향상시킬 수 있나요?
• RQ4 Higgs 자기결합 및 VVHH 결합에 대한 제약 조건은 표준모형 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ5 특징적인 위상구조를 지닌 VBF HH 생성 모드는 bbττ 최종 상태에서 어떤 민감도를 가지나요?

주요 결과

• 데이터는 표준모형 예측과 일치하며, bbττ 최종 상태에서 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• 포괄적인 HH 생성 단면적에 대한 관측(기대) 상한선은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 3.3(5.2)배이다.
• 벡터 보손 융합(VBF) 채널의 경우, 관측(기대) 상한선은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 124(154)배이다.
• Higgs 필드 자기결합은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 −1.7배에서 8.7배 사이로 제약되었다.
• 두 개의 Higgs 보손이 두 개의 벡터 보손과 상호작용하는 결합은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 −0.4배에서 2.6배 사이로 제약되었다.
• 더 큰 데이터 샘플, 향상된 트리거 전략, 고도화된 다변량 기계학습 기법 덕분에 이전 결과보다 향상된 민감도를 확보하였다.