[논문 리뷰] Search for the exotic decay of the Higgs boson into two light pseudoscalars with four photons in the final state in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2336명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 측정한 √s = 13 TeV에서의 132 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 이국적인 힉스 보손 붕괴인 두 개의 가벼운 페시탈르 보손(a)으로의 붕괴를 탐색한다. 각각의 a는 두 개의 양성자로 붕괴되며, 최종 상태는 H → aa → γγγγ이다. 배경만 존재하는 가정에 대해 유의미한 편차는 관측되지 않았으며, 페시탈르 보손 질량이 15 GeV일 때 0.80 fb에서 62 GeV일 때 0.26 fb 사이의 관측된 95% 신뢰수준 상한선이 힉스 보손 붕괴 분획율과 생성 단면적의 곱에 대해 제시된다.

ABSTRACT

A search for the exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars, each of which subsequently decays into a pair of photons, is presented. The search uses data from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC that corresponds to an integrated luminosity of 132 fb$^{-1}$. The analysis probes pseudoscalar bosons with masses in the range 15-62 GeV, coming from the Higgs boson decay, which leads to four well-isolated photons in the final state. No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. Upper limits are set on the product of the Higgs boson production cross section and branching fraction into four photons. The observed (expected) limits range from 0.80 (1.00) fb for a pseudoscalar boson mass of 15 GeV to 0.26 (0.24) fb for a mass of 62 GeV at 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서, 두 개의 가벼운 페시탈르 보손(a)으로 붕괴되며, 각각 두 개의 양성자로 붕괴되는 이국적인 힉스 보손 붕괴(H → aa → γγγγ)를 탐색한다.
• 양성자-양성자 충돌에서 √s = 13 TeV 조건 하에서 15에서 62 GeV 사이의 페시탈르 보손 질량을 탐색한다.
• 이국적 붕괴를 가정할 때, 힉스 보손의 생성 단면적과 붕괴 분획율의 곱에 대한 상한선을 설정한다.
• 빛의 페시탈르 보손이 양성자로 붕괴하는 것을 예측하는 이론 모델들, 예를 들어 2HDM+S와 같은 모델을 시험한다.

제안 방법

• CMS 검출기의 전자기 칼로미터와 입자 흐름 알고리즘을 사용하여 네 개의 고립된 양성자 사건을 재구성한다.
• 각각의 a → γγ 붕괴를 명확히 구분하기 위해, 양성자 쌍 간의 각도적 간격이 0.2 이상이 되도록 선택 기준을 적용한다.
• 운동량 및 기하학적 변수를 기반으로 훈련된 다변량 식별기(디스criminator)를 사용하여 신호 유사 사건과 배경을 구분한다.
• 네 개의 양성자 진동 질량 스펙트럼 내의 제어 영역을 이용한 데이터 기반 기법을 통해 배경 기여도를 추정한다.
• 관측된 네 개의 양성자 진동 질량 분포에 대해 프로파일리크렐리한도를 적용하여 신호 강도에 대한 상한선을 설정한다.
• 최종 상한선에 포함된 시스테마틱 불확실성은 양성자 에너지 해상도, 재구성 효율성 및 루미노사티 계측 오차에서 기인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 95% 신뢰수준에서 힉스 보손이 두 개의 가벼운 페시탈르 보손으로 붕괴되어 네 개의 양성자로 붕괴되는 분획율에 대한 상한선은 얼마인가?
• RQ2 CMS 실험은 15–62 GeV 범위의 경량 페시탈르 보손으로의 이국적 힉스 붕괴를 γγγγ 최종 상태를 통해 배제하거나 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ3 이론 모델들인 2HDM+S 및 기타 BSM 모델의 맥락에서 네 개의 양성자 최종 상태는 경량 페시탈르 보손 탐지에 얼마나 민감한가?
• RQ4 이 최종 상태에서 페시탈르 보손 질량에 따른 신호 재구성 효율은 어떻게 변하는가?
• RQ5 양성자 에너지 해상도 및 검출기 반응에서 기인하는 시스테마틱 불확실성은 최종 상한선에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 네 개의 양성자 진동 질량 분포에서 배경만 존재하는 가정에 대해 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 페시탈르 보손 질량이 15 GeV일 때 0.80 fb에서 62 GeV일 때 0.26 fb 사이의 관측된 95% 신뢰수준 상한선이 힉스 보손의 생성 단면적과 네 개의 양성자로의 붕괴 분획율의 곱에 대해 제시되었다.
• 배경만 존재하는 가정 하에서 예상되는 상한선는 15 GeV에서 1.00 fb에서 62 GeV에서 0.24 fb 사이이다.
• 신호 재구성 효율은 페시탈르 보손 질량이 증가함에 따라 증가하며, 30 GeV 이상에서 높은 값을 보인다.
• 배경 기여는 양자 전기역학(QED) 과정과 잘못 식별된 양성자에 의해 주로 차지하며, 데이터 기반 방법으로 추정되었다.
• 시스테마틱 불확실성은 잘 제어되어 있었으며, 가장 큰 기여는 양성자 에너지 해상도와 루미노사티 보정에서 비롯되었다.