[논문 리뷰] Search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light pseudoscalar particle decaying to two photons

G. Aad, B. Abbott외 2935명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 힉스 보손이 Z 보손과 경량 편자성 입자(a)로 붕괴하고, 편자성 입자가 두 개의 양성자로 붕괴하는 경우를 처음으로 탐색한다. 139 fb⁻¹의 LHC 런 2 데이터를 사용하여, 융합된 및 분리된 양성자 재구성 카테고리들을 적용하였으며, 배경과의 유의미한 이탈이 관측되지 않았고, 0.1–33 GeV의 a 질량 범위에서 H→Za×Br(a→γγ)의 브랜치 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한을 0.08%에서 2% 사이로 설정하였다.

ABSTRACT

A search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light, pseudoscalar particle, $a$, decaying respectively to two leptons and to two photons is reported. The search uses the full LHC Run 2 proton-proton collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, corresponding to 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector. This is one of the first searches for this specific decay mode of the Higgs boson, and it probes unexplored parameter space in models with axion-like particles (ALPs) and extended scalar sectors. The mass of the $a$ particle is assumed to be in the range 0.1-33 GeV. The data are analysed in two categories: a merged category where the photons from the $a$ decay are reconstructed in the ATLAS calorimeter as a single cluster, and a resolved category in which two separate photons are detected. The main background processes are from Standard Model $Z$ boson production in association with photons or jets. The data are in agreement with the background predictions, and upper limits on the branching ratio of the Higgs boson decay to $Za$ times the branching ratio $a o\gamma\gamma$ are derived at the 95% confidence level and they range from 0.08% to 2% depending on the mass of the $a$ particle. The results are also interpreted in the context of ALP models.

연구 동기 및 목표

• 기존에 탐색되지 않은 힉스 보손 붕괴 모드인 H→Za를 조사하며, 여기서 a는 두 개의 양성자로 붕괴하는 경량 편자성 입자이다.
• 압축형 입자(AXION-LIKE PARTICLES, ALPs)와 확장된 힉스 섹터를 포함한 모델에서의 매개변수 공간을 탐색한다.
• 전체 런 2 LHC 데이터를 사용하여 H→Za×Br(a→γγ)의 브랜치 비율에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 경량 편자성 입자가 뮤온 g−2 편차와 같은 이상 현상들을 설명하는 데 기여할 수 있는 잠재적 역할을 다룬다.
• 융합 및 분리된 양성자 위상구조를 모두 고려하여, 힉스 보손의 이국적 붕괴 탐색에 대한 감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 2015–2018년 동안 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 양성자–양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 가지 이벤트 카테고리인 융합형(양성자가 캘로리메터에서 단일 클러스터를 이룸)과 분리형(두 개의 별개의 양성자가 검출됨)을 분석한다.
• Z→ℓℓ에서 유도된 렙톤과 a→γγ에서 유도된 양성자에 대해 고급 재구성 기법을 적용하며, 이는 상대 질량 재구성과 운동량 선택 기준을 포함한다.
• 검출기 반응을 모델링하고 배경을 추정하기 위해 시뮬레이션된 신호 및 배경 샘플(예: Z+jets, Z+γ, γγ+jets)을 사용한다.
• 다변량 분석 기법과 신호 영역 최적화를 적용하여 희귀한 힉스 붕괴에 대한 감도를 향상시킨다.
• 통계적 가설 검정을 수행하여 신호 강도에 대한 95% 신뢰수준 상한을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.1–33 GeV 질량 범위 내에서 경량 편자성 입자를 포함한 H→Za→Zγγ 붕괴 모드에 대해 ATLAS 실험의 감도는 어떠한가?
• RQ2 융합 및 분리된 양성자 재구성 전략이 이 탐색에서 탐지 효율성과 배경 제거 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 a 질량에 대해 H→Za×Br(a→γγ)의 95% 신뢰수준 상한은 무엇인가?
• RQ4 결과가 압축형 입자(AXION-LIKE PARTICLES, ALPs)와 확장된 힉스 섹터를 포함한 모델에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 표준모형 예측을 초월하여 H→Za→Zγγ 최종 상태에서 새로운 물리학의 증거가 있는가?

주요 결과

• 융합형 또는 분리형 양성자 카테고리 어느 곳에서도 표준모형 배경을 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• Br(H→Za)×Br(a→γγ)의 제품 브랜치 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한이 0.1–33 GeV의 a 질량 범위에서 0.08%에서 2% 사이로 설정되었다.
• a 질량이 약 10–15 GeV 근처일 경우 가장 엄격한 상한이 도출되었으며, 이는 약 0.15%였다.
• 특정 a 질량에서 Br(H→Za)×Br(a→γγ)가 0.08%에 이르는 신호 모델에 대한 감도를 확보하였다.
• 결과는 압축형 입자 모델의 맥락에서 해석되었으며, 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간의 광범위한 영역을 배제하였다.
• 이 분석은 융합된 양성자 재구성을 통해 힉스 붕괴에서 저질량 편자성 입자를 탐색하는 데의 가능성을 입증하였다.