[논문 리뷰] Search for resonant and non-resonant Higgs boson pair production in the $b\bar b au^+ au^-$ decay channel using 13 TeV $pp$ collision data from the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 ATLAS 실험에서 13 TeV $pp$ 충돌 데이터 139 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 최종 상태에서 비공진 및 공진 Higgs 보손 쌍 생성을 탐색한다. 고도화된 다변량 기법과 향상된 $\tau$-하드론 및 $b$-자기분열 재구성 기술을 활용하여, 비공진 Higgs 쌍 생성 횡단면에 대해 관측된(기대된) 95% 신뢰수준 상한선을 표준모형 예측의 4.7(3.9) 배로 설정하였으며, 공진 생성의 경우는 공진 질량에 따라 21–900 fb(12–840 fb)의 범위로 설정하였다.

ABSTRACT

A search for Higgs boson pair production in events with two $b$-jets and two $τ$-leptons is presented, using a proton-proton collision dataset with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected at $\sqrt{s}=13$ TeV by the ATLAS experiment at the LHC. Higgs boson pairs produced non-resonantly or in the decay of a narrow scalar resonance in the mass range from 251 to 1600 GeV are targeted. Events in which at least one $τ$-lepton decays hadronically are considered, and multivariate discriminants are used to reject the backgrounds. No significant excess of events above the expected background is observed in the non-resonant search. The largest excess in the resonant search is observed at a resonance mass of 1 TeV, with a local (global) significance of $3.1σ$ ($2.0σ$). Observed (expected) 95% confidence-level upper limits are set on the non-resonant Higgs boson pair-production cross-section at 4.7 (3.9) times the Standard Model prediction, assuming Standard Model kinematics, and on the resonant Higgs boson pair-production cross-section at between 21 and 900 fb (12 and 840 fb), depending on the mass of the narrow scalar resonance.

연구 동기 및 목표

• . 본 연구의 주요 목표는 전체 Run 2 데이터셋을 사용하여 $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에서 비공진 및 공진 Higgs 보손 쌍 생성을 탐색하는 것이다.
• . 신호 선택과 배경 제거를 최적화하여 비공진 $HH$ 생성에 대한 감도를 향상시키는 것을 목표로 한다.
• . 251에서 1600 GeV 사이의 질량을 가진 좁은 스칼라 공진 상태를 통한 $HH$ 생성 횡단면에 대한 엄격한 상한선을 설정하는 데 목적이 있다.
• . 표준모형에서의 $HH$ 생성 횡단면이 낮은 문제를 해결하기 위해 재구성 및 구분 기술을 향상시킨다.
• . 본 연구는 Higgs 자기결합 상수를 시험하고 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 데 기여한다.

제안 방법

• . 분석은 ATLAS 검출기에서 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 139 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 사용한다.
• . 두 개의 $b$-자기분열과 두 개의 $\tau$-르프톤을 포함한 이벤트가 선택되며, 이는 하드론적 및 륙성적 $\tau$ 붕괴를 모두 포함한다.
• . 주로 $\mathrm{t\bar{t}}$ 및 $\mathrm{VBF}$ 과정과 같은 주요 배경과 신호를 구분하기 위해 다변량 분류기 기법이 사용된다.
• . 신호 감도 향상을 위해 $\tau$-하드론 및 $b$-자기분열에 대한 고도화된 재구성 및 식별 기술이 적용된다.
• . 횡단면에 대한 95% 신뢰수준 상한선을 설정하기 위해 프로파일-가능도 검정 통계량과 수정된 빈도주의 CLs 방법이 사용된다.
• . 시스템적 불확실성은 데이터 기반 방법과 시뮬레이션 기반 보정을 통해 평가되며, 새로운 가짜-$\tau_{\text{had}}$ 추정 기술이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 전체 Run 2 데이터셋을 사용하여 $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 최종 상태에서 비공진 Higgs 보손 쌍 생성에 대한 관측된 감도는 어떠한가?
• RQ2 . 251에서 1600 GeV 사이의 질량을 가진 좁은 스칼라 공진 상태에 대한 공진 Higgs 보손 쌍 생성 횡단면에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ3 . $\tau$-하드론 및 $b$-자기분열 재구성의 향상이 이전 탐색에 비해 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 . 공진 탐색에서 관측된 초과 현상의 유의미성은 얼마이며, 배경만 존재하는 가정과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ5 . 새로운 상한선은 이전 ATLAS 및 CMS 결과와 비교해 감도와 커버리지 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• . 비공진 Higgs 보손 쌍 생성 탐색에서 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 배경만 존재하는 가정과 일치한다.
• . 비공진 $HH$ 생성 횡단면에 대한 관측된(기대된) 95% 신뢰수준 상한선은 표준모형 예측의 4.7(3.9) 배이다.
• . 공진 탐색에서 가장 큰 局부(전역) 유의수준은 공진 질량 1 TeV에서 각각 3.1$\sigma$(2.0$\sigma$)이다.
• . 관측된(기대된) 공진 $HH$ 생성 횡단면 상한선은 공진 질량에 따라 21에서 900 fb(12에서 840 fb)의 범위를 가진다.
• . 본 탐색은 현재까지 개별 탐색 중에서 비공진 $HH$ 생성에 대해 가장 높은 기대 감도를 확보하였다.
• . 공진 $HH$ 생성에 대한 상한선은 탐색된 질량 범위의 대부분에서 이전 ATLAS 및 CMS 조합 결과보다 더 엄격하거나 경쟁 가능하다.