[논문 리뷰] Search for the Standard Model Higgs boson produced by vector boson fusion and decaying to bottom quarks

Giorgia Rauco|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMS 검출기로 8 TeV에서의 19.8 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 벡터 보손 융합(VBF)을 통해 생성되고 끈 쿼크 쌍(bb̄)로 붕괴하는 표준모형 힉스 보존을 탐색한다. 분석 결과 125 GeV에서 신호의 유의도는 2.2 표준편차를 기록하였으며, 측정된 신호 강도는 μ = 2.8⁺¹.⁶₋₁.⁴로, 다른 CMS H → bb̄ 탐색 결과와 조합한 후 표준모형 예측과 8% 수준에서 일치하며 μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴² 및 유의도 2.56σ를 얻었다.

ABSTRACT

The search for the Standard Model (SM) Higgs boson (H) produced through the Vector Boson Fusion (VBF) mechanism and decaying to a pair of bottom quarks is reported. The used data have been collected with the CMS detector and correspond to an integrated luminosity of 19.8 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=8$ TeV at the CERN LHC. Parked data have been exploited as well. This search resulted in an observed (expected) significance in these data samples for a H $ ightarrow$ b$\bar{b}$ signal at a mass of 125 GeV of 2.2 (0.8) standard deviations. The cited signal strength, $μ=σ/σ_{ extrm{SM}}$, was measured to be 2.8$^{+1.6}_{-1.4}$. This result has been combined with other CMS searches for the SM Higgs boson decaying in a pair of bottom quarks exploiting other Higgs production mechanisms. The obtained combined signal strength is 1.0 $\pm$ 0.4, corresponding to an observed signal significance of 2.6 standard deviations for a Higgs boson mass of 125 GeV.

연구 동기 및 목표

• 벡터 보손 융합(VBF)을 통해 생성되고 끈 쿼크 쌍(bb̄)로 붕괴하는 표준모형 힉스 보존을 탐색하며, 이는 높은 이론적 중요성을 지닌 주요 붕괴 모드이다.
• 포괄적 힉스 생성에서 지배적인 QCD 배경을 극복하기 위해, 두 개의 전방 진동자와 중심부의 bb̄ 쌍을 포함하는 VBF의 특징적인 구조를 활용한다.
• 125 GeV에서 VBF 생성 힉스 보존이 bb̄로 붕괴하는 경우의 신호 강도 μ = σ/σ_SM를 측정하여 표준모형 예측과의 일치성을 검증한다.
• 다른 CMS H → bb̄ 탐색 채널(VH, ttH)의 결과와 조합하여 감도를 향상시키고 힉스 신호 강도를 제약 조건에 둔다.

제안 방법

• CMS 검출기가 수집한 8 TeV에서의 19.8 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 분석하였으며, 전용 및 일반 목적의 트리거를 사용하여 네 개의 진동자와 b-태깅된 후보를 포함하는 VBF 강화 이벤트를 선별하였다.
• 이벤트 재구성에는 입자 흐름 알고리즘과 반-kt 진동자 군집화(R = 0.5)를 사용하였으며, b-진동자는 CSV b-태깅 알고리즘을 통해 식별하였다.
• 다변량 분류기로 신호와 배경을 구분하였으며, b-태깅 값, 진동자의 위상도, 순서 정보를 조합하여 신호 감도를 향상시켰다.
• 다양한 신호 강화 카테고리에서 두 개의 b-진동자 후보의 진동자 질량 분포에 동시에 피팅을 적용하였으며, 배경는 QCD, 톰 쿼크, Z/W + 진동자 기여로 모델링하였다.
• 신호 및 배경의 형태는 몬테카를로 시뮬레이션에서 유도하였으며, 진동자 에너지 스케일(JES) 및 해상도(JER)의 불확실성은 校정 계수 k_JES 및 k_JER로 파arameter화하였다.
• 시스템적 불확실성(형상 및 수율)을 피팅의 자유 매개변수로 간주하여, Asymptotic CLs 방법을 사용해 신호 강도 μ = σ/σ_SM를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8 TeV에서 19.8 fb⁻¹의 데이터에서 VBF를 통해 생성되고 끈 쿼크 쌍으로 붕괴하는 힉스 보존이 125 GeV에서 관측된 유의도는 얼마인가요?
• RQ2 VBF → H → bb̄의 측정된 신호 강도 μ = σ/σ_SM는 표준모형 예측인 μ = 1과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 VH 및 ttH H → bb̄ 탐색 채널 결과와 통합했을 때의 조합된 신호 강도와 유의도는 얼마인가요?
• RQ4 VBF → bb̄ 채널에서 관측된 데이터는 배경만 존재하는 가설과 얼마나 잘 일치합니까?
• RQ5 VBF H → bb̄ 탐색에서 신호 강도 측정에 영향을 주는 주요 시스템적 불확실성은 무엇입니까?

주요 결과

• 125 GeV에서 VBF → bb̄ 채널의 관측된 유의도는 2.2 표준편차이며, 배경만 존재하는 가정 하에서 예상 유의도는 배경-only 가설 하에서 0.8 표준편차이다.
• VBF 생성 힉스 보존이 bb̄로 붕괴하는 경우 측정된 신호 강도는 μ = 2.8⁺¹.⁶₋₁.⁴로, 표준모형 예측보다 신호 과잉을 나타내지만, 8% 수준에서 일치한다.
• VH 및 ttH H → bb̄ 탐색 결과와 조합한 결과, 조합된 신호 강도는 μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴²로 측정되었으며, 표준모형 예측인 μ = 1과 일치한다.
• 모든 H → bb̄ 채널에서 125 GeV 힉스 보존의 조합된 관측 유의도는 2.56 표준편차이며, 예상 유의도는 2.70 표준편차이다.
• 배경만 존재하는 가설은 조합 분석에서 2σ 이상의 신뢰수준에서 배제되었으며, 이는 힉스 신호 존재를 지지한다.
• 피팅 결과는 데이터와 신호 + 배경 모델 간 양호한 일치를 보였으며, 여러 카테고리 및 시스템적 매개변수를 동시에 피팅함으로써 불확실성이 잘 제어되었다.