[논문 리뷰] Searches for Higgs boson pair production with ATLAS

A. Ferrari|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런-2 동안 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 36.1 fb⁻¹를 사용하여, Higgs 보손 쌍 생성(HH)에 대한 ATLAS의 세 가지 검색을 제시한다. 분석은 HH→bbbb, HH→bbγγ, HH→WWγγ 최종 상태에서 비공진 및 공진 HH 생성을 대상으로 하며, 95% 신뢰수준에서 배제 한계를 설정하고, Higgs 자기상호작용을 −5.0 < κλ < 12.1 범위로 제약한다.

ABSTRACT

The search for Higgs boson pair ($HH$) production is at the core of the ATLAS experimental program, as it probes the Brout-Englert-Higgs mechanism, as well as new physics beyond the Standard Model. Based on the proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at CERN's Large Hadron Collider in 2015 and 2016, three public results on the search for $HH o bbbb$, $HH o bbγγ$ and $HH o WWγγ$ were recently released and are summarised in these proceedings.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 Higgs 포텐셜을 핵심적으로 시험하는 Higgs 자기상호작용을 탐색하기 위해 Higgs 보손 쌍 생성(HH)을 검색하는 것.
• 다양한 최종 상태에서 비공진 및 공진 HH 생성을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하는 것.
• HH 생성의 표준모형 예측값 33.41 fb에서의 편차를 측정하는 것. 이 값은 많은 블루밍스탠드 모형(BSM) 이론에서 증폭된다.
• 특히 HH→bbbb 채널에서 지배적인 다중-제트 배경을 억제하기 위해 새로운 데이터 기반 기법을 개발하고 적용하는 것.
• 스핀-0 또는 스피너-2 공진이 Higgs 쌍으로 붕괴하는 방식으로 공진 HH 생성에 대한 배제 한계를 설정하는 것.

제안 방법

• LHC 런-2 기간 동안 ATLAS에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 36.1 fb⁻¹를 활용한다.
• 해결된 및 부스트된 제트 재구성 방식을 사용하는 이벤트 위상도: 해결된 경우 R=0.4인 anti-kT 제트, 부스트된 경우 R=1.0인 anti-kT 제트를 사용하며, 부스트된 제트의 경우 b-태깅은 R=0.2에서 수행된다.
• Higgs 보손 후보를 식별하고 top-쿼크 및 QCD 배경을 억제하기 위해 m4j, m2j, ΔRjj, 및 pT 요구 조건에 기반한 운동학적 선택 기준을 적용한다.
• 특히 2016년 데이터에서의 트리거 비효율성을 다루기 위해 HH→bbbb 채널에서 다중-제트 배경을 데이터 기반 기법으로 추정한다.
• 신호 및 배경 분포를 시뮬레이션(신호 HH 및 단일-H에 대해)과 데이터 피팅(연속 다중-제트/광자 배경에 대해)을 사용하여 모델링하며, Crystal-Ball 및 지수 함수를 사용한다.
• 각 최종 상태에 맞게 이벤트 선택 절차를 조정한다. 예를 들어, HH→WWγγ 채널에서는 pT(γγ) > 100 GeV을 요구하고, mγγ가 mH에서 3.4 GeV 이내에 있어야 H→γγ 붕괴와 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HH→bbbb, HH→bbγγ, HH→WWγγ 최종 상태에서 비공진 Higgs 보손 쌍 생성 단면적에 대한 한계는 무엇인가?
• RQ2 스핀-0 또는 스피너-2 공진이 Higgs 쌍으로 붕괴하는 방식으로 260–3000 GeV 질량 범위에서 공진 HH 생성을 관측할 수 있는가?
• RQ3 각 최종 상태에서 관측된 이벤트 수율은 표준모형 예측과 어떻게 비교되며, Higgs 자기상호작용에 어떤 제약을 둔다?
• RQ4 대규모 다중-제트 배경이 존재하는 HH→bbbb 채널에서 데이터 기반 배경 추정 기법이 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 다양한 HH 최종 상태의 조합 감도는 Higgs 섹터에서의 새로운 물리 현상 탐지에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 비공진 Higgs 보손 쌍 생성 단면적에 대한 통합 관측 95% 신뢰수준 한계는 0.223 pb이며, 이는 표준모형 예측의 6.7배에 해당한다.
• 통계적 조합을 통해 세 개의 가장 민감한 검색을 기반으로 Higgs 자기상호작용 κλ는 95% 신뢰수준에서 −5.0 < κλ < 12.1 범위로 제약된다.
• 공진 HH 생성에 대해, 가상의 공진 질량에 따라 단면적에 대한 95% 신뢰수준 배제 한계가 설정되었으며, HH→bbbb 채널에서 최대 3 TeV까지 배제 범위가 확장되었다.
• HH→bbγγ 채널에서는 800–3000 GeV 질량 범위에서 배제 한계가 설정되었으며, 1500 GeV에서 이벤트 선택 기준의 변화가 관측되었다.
• HH→WWγγ 채널에서는 비공진 HH 생성에 대한 관측 한계가 표준모형 단면적의 230배이며, 기대 한계는 95% 신뢰수준에서 160에서 340배 사이에 분포한다.
• 네 번째 검색인 HH→bbττ는 회의 이후에 발표되었으며, 비공진 HH 생성에 대해 95% 신뢰수준에서 표준모형 기대치의 12.7배에 해당하는 한계를 설정했다.