[논문 리뷰] Search for nonresonant Higgs boson pair production in the four leptons plus two b jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 비공진형 힉스 보손 쌍 생성을 탐색하며, 138 fb⁻¹의 통합 루미너시티를 사용하여 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 붕괴 채널을 중심으로 다룬다. 분석은 95% 신뢰수준에서 신호 강도 조정자 μ에 대해 32.4 이하의 상한선을 설정하고, 표준모형을 초월한 새로운 물리에 대한 중요한 제약 조건을 제공하기 위해 Higgs 삼중자기결합 조정자 κλ를 −8.8 < κλ < 13.4 (관측된 결과)로 제약한다.

ABSTRACT

The first search for nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) with one H decaying into four leptons and the other into a pair of b quarks is presented, using proton-proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. A 95% confidence level upper limit of 32.4 is set on the signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed HH production rate in the HH $ o$ ZZ*b$\mathrm{\bar{b}}$ $ o$ 4$\ell$b$\mathrm{\bar{b}}$ decay channel to the standard model expectation. Possible modifications of the H trilinear coupling $\lambda_ ext{HHH}$ with respect to the standard model (SM) value are investigated. The coupling modifier $\kappa_{\lambda}$, defined as $\lambda_ ext{HHH}$ divided by its SM prediction, is constrained to be within the observed (expected) range -8.8 (-9.8) $&lt;$ $\kappa_{\lambda}$ $&lt;$ 13.4 (15.0) at 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 붕괴 채널에서 비공진형 힉스 보손 쌍 생성을 탐색한다.
• 실험 데이터를 사용하여 표준모형 예측에서 벗어난 Higgs 삼중자기결합 λHHH의 편차를 제약한다.
• 히iggs 쌍 생성의 운동학적 성질을 탐색하여 표준모형을 초월한 새로운 물리에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 네 개의 렙톤과 두 개의 b 제트를 포함하는 최종 상태에서 다변량 분석을 통해 신호 강도 조정자 μ와 결합 조정자 κλ에 대한 향상된 한계를 확보한다.

제안 방법

• 분석은 √s = 13 TeV에서 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용한다.
• 신호는 H → ZZ* → 4ℓ 및 H → bb 붕괴에 부합하는 네 개의 고립된 렙톤(e, μ)과 두 개의 b-태그된 제트의 존재를 기반으로 선택된다.
• 운동학적 및 위상적 변수를 사용하여 신호와 배경을 구분하기 위해 부스팅된 결정수 나무 기반의 다변량 분석을 적용한다.
• 신호 및 배경 과정은 QCD에서 NLO 수준에서 POWHEG 및 MINLO 생성기로 시뮬레이션되며, parton 분포 함수와 αS 불확실성도 포함된다.
• 신호 강도 조정자 μ는 관측된 HH 생성률과 표준모형 예측의 비율로 정의되며, κλ는 Higgs 삼중자기결합의 편차를 매개변수화하는 데 사용된다.
• 검출기 효과, 제트 에너지 스케일, 렙톤 재구성 등에서 유래하는 체계적 불확실성을 철저히 평가하고 통계 모델에 포함시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 4ℓ + 2b 제트 최종 상태에서 비공진형 힉스 보손 쌍 생성에 대한 신호 강도 조정자 μ에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ2 표준모형 값에서 벗어난 Higgs 삼중자기결합 λHHH의 편차는 이 최종 상태에서 관측된 생성률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 최종 상태를 사용하여 95% 신뢰수준에서 결합 조정자 κλ = λHHH / λSM에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ4 4ℓ + 2b 제트 채널을 포함함으로써 다른 붕괴 모드에 비해 비공진형 HH 생성에 대한 민감도는 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 95% 신뢰수준에서 신호 강도 조정자 μ에 대해 32.4 이하의 상한선이 설정되었으며, 이는 표준모형 예측 대비 관측된 HH 생성률에 해당한다.
• 관측된 데이터 기반으로 결합 조정자 κλ는 −8.8 < κλ < 13.4 범위로 제약되며, 기대되는 한계는 −9.8 < κλ < 15.0이다.
• 4ℓ + 2b 제트 최종 상태에서 신호 대 배경 비율은 약 1:100에 도달하였으며, 이는 4ℓ 붕괴 채널의 높은 순도 덕분이었다.
• 4ℓ 선택 조건를 충족하는 이벤트의 트리거 효율은 98% 이상이었으며, 이는 높은 재구성 효율을 보장했다.
• 브랜칭 비율 억제를 고려한 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 단면적에 대한 표준모형 예측은 약 4.5 ab이다.
• 이 분석은 4ℓ 채널의 높은 신호 순도와 bb 붕괴 모드의 큰 브랜칭 비율을 조합하여 비공진형 힉스 쌍 생성에 대한 민감도를 향상시켰다.