[논문 리뷰] Searches for additional Higgs bosons and for vector leptoquarks in $ au au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2398명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 ττ 최종 상태에 대한 표준모형을 초월한 물리학을 위한 모델에 종속되지 않는 세 가지 검색을 제시한다. 새로운 힉스 보손과 벡터 렙토쿼크 생산에 대해 95% 신뢰수준 상한을 설정하였으며, 0.1 TeV와 1.2 TeV에서 국소적 초과를 관측하였고, 벤치마크 MSSM 시나리오에서 350 GeV 이하의 추가 힉스 보손을 배제하였다.

ABSTRACT

Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) in $ au au$ final states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay into $ au$ leptons and the cross sections for the production of a new boson $\phi$, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (gg$\phi$) or in association with b quarks, ranging from $\mathcal{O}$(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for gg$\phi$ production with local $p$-values equivalent to about three standard deviations at $m_\phi$ = 0.1 and 1.2 TeV. In a search for $t$-channel exchange of a vector leptoquark U$_1$, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U$_1$ leptoquark coupling to quarks and $ au$ leptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the $M_\mathrm{h}^{125}$ and $M_\mathrm{h, EFT}^{125}$ minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

연구 동기 및 목표

• 글루온 융합 또는 b-쿼크 연관 생성를 통해 ττ 최종 상태에서 추가 힉스 보손을 탐색하기 위해.
• t-채널 교환을 통한 렙토쿼크 서명을 ττ 최종 상태에서 탐색하기 위해.
• 세 개의 중성 힉스 보손을 가진 최소 초대칭 표준모형(MSSM)의 벤치마크 시나리오를 테스트하기 위해.
• 신규 물리학 결합 및 단면적에 대해 95% 신뢰수준 상한을 설정하기 위해.
• 공명 및 비공명 ττ 생성을 새로운 물리학의 探색 수단으로서 데이터를 해석하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터 138 fb⁻¹을 사용한다.
• eµ, eτh, µτh, τhτh 네 가지 ττ 최종 상태를 분석하며, τh는 강입자 τ 붕괴를 나타낸다.
• 진짜 ττ 및 잘못 식별된 잡티(잡티 → τh) 배경을 데이터 기반 추정법을 적용한다.
• 관측 가능한 공명 신호를 분리하기 위해 관측 질량 재구성 및 이벤트 분류를 적용한다.
• 체계적 불확실성을 포함한 통계 모델을 사용하여 신호 단면적의 상한을 설정한다.
• 효과적 장 이론과 MSSM 시나리오를 사용하여 모델에 종속되지 않은 해석과 백그라운드 기반 해석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글루온 융합 또는 b-쿼크 연관 생성를 통해 ττ로 붕괴하는 새로운 스핀-0 공명 ϕ에 대해 분해율과 단면적의 곱에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ2 ττ 관측 질량 스펙트럼에서 새로운 공명 상태에 부합하는 유의미한 국소적 초과가 있는가요?
• RQ3 벡터 렙토쿼크 U1의 쿼크 및 τ 렙톤에 대한 무차원 결합에 대해 95% 신뢰수준 상한은 무엇인가요?
• RQ4 M125h 및 M125h,EFT MSSM 백그라운드 시나리오에서 350 GeV 이하의 추가 힉스 보손은 어느 정도 배제되는가요?
• RQ5 t-채널 렙토쿼크 교환에 의한 비공명 ττ 생성은 어떻게 제약을 받는가?

주요 결과

• ggϕ 생성에 대해 새로운 힉스 보손 ϕ에 대한 분해율과 단면적의 곱에 대한 상한은 60 GeV에서 약 O(10 pb)에서 3.5 TeV에서 0.3 fb로 변화한다.
• mϕ = 0.1 TeV 및 1.2 TeV에서 각각 약 세 표준편차에 해당하는 국소적 초과가 관측되었다.
• 1 TeV에서 1에서 5 TeV에서 6까지의 범위에서 무차원 U1 렙토쿼크 결합에 대해 95% 신뢰수준 상한이 설정되었다.
• M125h 및 M125h,EFT MSSM 백그라운드 시나리오에서 350 GeV 이하의 추가 힉스 보손은 95% 신뢰수준에서 배제되었다.
• 이 분석은 공명 및 비공명 ττ 최종 상태에 대해 엄격한 제약 조건을 설정하였으며, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 감도를 향상시켰다.
• 모든 결과는 향후 모델 비교 및 검증을 위해 공개된 HEPData 데이터베이스에 제공된다.