[논문 리뷰] Search for the Higgs boson decays to a $ ho^0$, $\phi$, or K$^{*0}$ meson and a photon in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2401명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 CMS 실험에서 쌓은 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 희귀한 힉스 보존 붕괴인 ρ⁰, ϕ 또는 K∗⁰ 메손과 한 개의 광자로의 붕괴를 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 가장 엄격한 실험적 상한선을 제시한다: H → ρ⁰γ에 대해서는 3.7 × 10⁻⁴, H → ϕγ 및 H → K∗⁰γ에 대해서는 각각 3.0 × 10⁻⁴이다.

ABSTRACT

Three rare decay processes of the Higgs boson to a $ ho$(770)$^0$, $\phi$(1020), or K$^{*}$(892)$^0$ meson and a photon are searched for using $\sqrt{s}$ = 13 TeV proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC. Events are selected assuming the mesons decay into a pair of charged pions, a pair of charged kaons, or a charged kaon and pion, respectively. Depending on the Higgs boson production mode, different triggering and reconstruction techniques are adopted. The analyzed data sets correspond to integrated luminosities up to 138 fb$^{-1}$, depending on the reconstructed final state. After combining various data sets and categories, no significant excess above the background expectations is observed. Upper limits at 95% confidence level on the Higgs boson branching fractions into $ ho$(770)$^0$$\gamma$, $\phi$(1020)$\gamma$, and K$^{*}$(892)$^0\gamma$ are determined to be 3.7 $ imes$ 10$^{-4}$, 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, and 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, respectively. In case of the $ ho$(770)$^0$$\gamma$ and $\phi$(1020)$\gamma$ channels, these are the most stringent experimental limits to date.

연구 동기 및 목표

• 희귀 붕괴를 통한 경량 쿼크(u, d, s)와의 힉스 보존 결합을 탐색하기 위해, 경량 메손과 광자로의 붕괴를 연구한다.
• 작은 요카다 결합 또는 맛을 변화시키는 중성미분을 가진 양자역학적 과정으로 인해 매우 억제되는 H → ρ⁰γ, H → ϕγ, H → K∗⁰γ의 표준모형 예측을 검증한다.
• 138 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터를 이용해 이러한 분해율에 대한 가장 엄격한 실험적 상한선을 설정한다.
• 글루온 융합, 벡터 보손 융합, W/Z 또는 탑 쿼크와의 연관 생성과 같은 힉스 생성 모드에 따라 이벤트를 분류하여 감도를 향상시킨다.
• 메손 및 광자 최종 상태의 신호 재구성 성능을 향상시키기 위해 최적화된 트리거, 입자 식별 및 다변량 분석 기법을 적용한다.

제안 방법

• 이벤트는 ρ⁰ → π⁺π⁻, ϕ → K⁺K⁻, K∗⁰ → K⁺π⁻, H → 메손 + γ의 붕괴 체인에 기반해 선택된다.
• 신호 영역은 메손과 광자 시스템의 진동 질량 재구성에 기반하며, QCD 및 전자기적 배경을 억제하기 위해 운동학적 및 위상적 조건을 적용한다.
• 감도를 극대화하기 위해 각 힉스 생성 모드(ggH, VBF, VH, ttH)에 맞는 별도의 재구성 및 트리거 전략을 적용한다.
• QCD 다이젯, Drell-Yan 및 탑 쿼크 과정에서 비롯하는 배경는 제어 영역과 시뮬레이션을 통해 추정되며, 데이터 기반 기법을 활용해 검증된다.
• 운동학적 및 기하학적 변수를 사용한 다변량 분석(MVA) 기반 XGBoost 기법을 활용해 신호와 배경을 구분한다.
• 시스템적 불확실성은 전용 제어 샘플과 프로파일링 방법을 통해 평가되며, 배경 모델링에서 형태 불확실성에 대한 완전한 처리가 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 맥락에서 H → ρ⁰γ의 분해율에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ2 힉스 보존이 ϕ 메손과 광자로 붕괴될 수 있는가? 그 분해율에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 CMS 실험은 매우 억제된 H → K∗⁰γ 붕괴에 대해 얼마나 민감한가? 그 결과로 도출된 상한선은 무엇인가?
• RQ4 관측된 상한선은 이 희귀 힉스 붕괴에 대해 이전 실험 결과를 향상시키는가?
• RQ5 이 붕괴 모드를 통해 데이터는 경량 쿼크와의 이상적 힉스 결합에 대한 증거를 드러내는가?

주요 결과

• H → ρ⁰γ, H → ϕγ, H → K∗⁰γ의 어느 신호 영역에서도 배경 예측을 초월하는 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• H → ρ⁰γ의 95% 신뢰수준 상한선은 3.7 × 10⁻⁴로 설정되었으며, 지금까지 가장 엄격한 실험적 상한선이다.
• H → ϕγ의 95% 신뢰수준 상한선은 3.0 × 10⁻⁴로 설정되었으며, 지금까지 보고된 바 중 가장 엄격한 상한선이다.
• H → K∗⁰γ의 95% 신뢰수준 상한선은 3.0 × 10⁻⁴로 설정되었으며, 이는 이러한 민감도 수준에서 처음으로 상한선이 설정된 것이다.
• H → ρ⁰γ 및 H → ϕγ의 상한선은 이전 ATLAS 및 CMS 결과를 모두 향상시켜 경량 쿼크 결합의 탐색을 강화한다.
• 이 분석은 희귀 힉스 붕괴를 탐색하는 데 있어 고급 다변량 기법과 생성 모드별 최적화의 효과를 입증한다.