[논문 리뷰] Search for pair production of Higgs bosons in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state using proton--proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 3.2 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태에서 힉스 보손 쌍 생성을 위한 탐색을 수행한다. 해상도가 높은 및 강력한 $b$-점검 기법을 모두 활용하여, $hh$ 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 상한을 설정하였으며, 비공진 상태의 생성은 95% 신뢰수준에서 1.22 pb 이하로 제약을 두었고, 공진 상태의 칼루차-클라인 중력자 생성은 600–3000 GeV 범위에서 24–91 fb로 제약을 두었다.

ABSTRACT

A search for Higgs-boson pair production in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state is carried out with 3.2 fb$^{-1}$ of proton--proton collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector. The data are consistent with the estimated background and are used to set upper limits on the production cross section of Higgs-boson pairs times branching ratio to $b\bar{b}b\bar{b}$ for both nonresonant and resonant production. In the case of resonant production of Kaluza--Klein gravitons within the Randall--Sundrum model, upper limits in the 24 to 91 fb range are obtained for masses between 600 and 3000 GeV, at the 95% confidence level. The production cross section times branching ratio for nonresonant Higgs-boson pairs is also constrained to be less than 1.22 pb, at the 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌을 이용하여 $b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태에서 비공진 및 공진 상태의 힉스 보손 쌍 생성을 탐색하기 위해.
• 이전 8 TeV 데이터와 비교해 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 더 높은 생성 단면적을 활용하여 고질량 공진 상태에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 강력한 분석에서 대규모 반경의 제트와 소규모 반경의 트랙 제트를 사용하여 매우 강력한 힉스 보손의 탐지 효율을 향상시키기 위해.
• 고질량 상태에 대한 감도를 향상시키기 위해 고속도에서 $b$-점검 효율이 감소하는 문제를 해결하기 위해, 3개의 $b$-태그가 있는 제트 채널을 포함하기 위해.
• 비공진 및 공진 상황 모두에서 $hh$ 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 95% 신뢰수준 상한을 설정하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 분석 전략을 사용: 낮은 질량의 $hh$ 시스템에서 네 개의 별개의 $b$-제트가 구분되는 '해상도가 높은' 분석과, 고질량 시스템에서 $b$-제트가 대규모 반경 제트로 융합되는 '강력한' 분석.
• 높은 강도의 힉스 보손을 재구성하기 위해 대규모 반경 제트(anti-$k_t$, $R=1.0$)를 사용하고, $b$-하드론 태깅을 위해 소규모 반경 트랙 제트($R=0.3$)를 함께 사용한다.
• 신호를 주요 $t\bar{t}+\text{jets}$ 및 $gg\to b\bar{b}$ 배경과 구별하기 위해 고급 $b$-제트 태깅 알고리즘과 운동학적 재구성 기법을 적용한다.
• 신호 대 배경 분리 성능을 향상시키기 위해 운동학적 및 위상적 변수를 조합하는 다변량 분석(MVA) 기법을 사용한다.
• 관측된 데이터에 대한 프로파일-가능도 피팅을 수행하여 95% 신뢰수준에서 신호 단면적의 상한을 설정한다.
• 고속도에서 $b$-태깅 효율이 감소하는 문제를 보완하기 위해, 강력한 분석에 새로운 3개의 $b$-태그 채널을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 $b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태에서 비공진 상태의 힉스 보손 쌍 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 칼루차-클라인 중력자가 포함된 랜던-선드룸 모델에서, 다양한 질량 범위에서 공진 상태의 힉스 쌍 생성 감도는 어떻게 변하는가?
• RQ3 강력한 분석에 3개의 $b$-태그 채널을 포함함으로써 고질량 공진 상태에 대한 감도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 해상도가 높은 분석과 강력한 분석 전략은 $hh$ 질량 스펙트럼 전반에서 감도 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 8 TeV 대비 13 TeV에서 더 작은 트랙 제트 반경과 업데이트된 $b$-태깅을 사용함으로써 기대되는 감도 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 관측된 데이터는 기대 배경과 일치하며, $b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태에서 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 비공진 상태의 $hh$ 생성 단면적과 분해비의 곱에 대한 상한은 95% 신뢰수준에서 1.22 pb로 설정되었다.
• 랜던-선드룸 모델에서 칼루차-클라인 중력자의 공진 상태 생성에 대해, 600 GeV에서 24 fb, 3000 GeV에서 91 fb로 95% 신뢰수준에서 상한이 설정되었다.
• 고속도에서 $b$-태깅 효율이 감소하는 문제를 보완하기 위해 3개의 $b$-태그 채널을 포함함으로써, 강력한 분석은 2000 GeV 이상의 공진 상태에 대해 향상된 감도를 확보하였다.
• 1100 GeV 이하의 $hh$ 질량에서는 해상도가 높은 분석이 강력한 분석보다 더 높은 감도를 보였으며, 이는 서로 다른 질량 영역에서 다른 전략을 사용하는 것이 타당함을 뒷받침한다.
• 13 TeV에서 8 TeV에 비해 감도 향상은 상당히 크며, 특히 고질량 영역에서 생산 단면적 증가와 함께 개선된 제트 재구성 기법 덕분이다.