[논문 리뷰] Searching for Low-Mass Resonances Decaying into $W$ Bosons

Guglielmo Coloretti, Andreas Crivellin외 2명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2023. 02. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 런 2 데이터를 재분석하여 글루온 융합를 통해 W 보손으로 붕괴하는 저질량 신규 스칼라 진동자가 존재하는지 탐색한다. WW→ℓνqq 최종 상태에서 95 GeV 스칼라 보손에 대해 국소적 유의수준 ≳2.5σ를 관측하였으며, 선호되는 단면적은 ≈0.5 pb로, 다른 채널에서의 힌트를 강화하고 표준모형을 초월한 새로운 힉스 유사 입자의 존재 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

In this article, we recast and combine the CMS and ATLAS analyses of the Standard Model Higgs boson decaying to a pair of $W$ bosons in order to search for low-mass resonances in this channel. We provide limits on the corresponding cross section assuming direct production via gluon fusion. For the whole range of masses we consider (90$\,$GeV to 200$\,$GeV), the observed limit on the cross section turns out to be weaker than the expected one. Furthermore, at $\approx95\,$GeV the limit is weakest and a new scalar decaying into a pair of $W$ bosons (which subsequently decay leptonically) with a cross section $\approx0.5\,$pb is preferred over the Standard Model hypothesis by $\gtrsim 2.5\,σ$. In light of the excesses in the $γγ$, $τ^+τ^-$ and $b\bar b$ channels at similar masses, this strengthens the case for such a new Higgs boson. Furthermore, this analysis also gives room for the scalar candidate at 151$\,$GeV decaying into $W$ bosons.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2 데이터를 사용하여 W 보손 쌍으로 붕괴하는 저질량 신규 스칼라 진동자를 탐색하기 위해.
• 기존의 다른 붕괴 채널에서 관측된 95 GeV 스칼라에 대한 힌트가 WW 최종 상태로의 붕괴에 의해 지지되는지 테스트하기 위해.
• 표준모형 힉스 보손의 WW 붕괴 분석을 ATLAS와 CMS에서 조합하여 90–200 GeV 질량 범위에서의 새로운 물리학을 제약하기 위해.
• 양성전자 스칼라 보손이 전하 0인 SU(2)L 삼중항의 중성 성분임을 가능하게 하는지 평가하기 위해.
• 관측된 신호 과잉이 글루온 융합를 통한 직접 생성과 이후 W 보손의 레프톤 붕괴와 일관되는지 평가하기 위해.

제안 방법

• MadGraph5aMC@NLO, Pythia8.3, Delphes를 사용하여 표준모형 힉스 보손 붕괴 과정 gg→h→WW*→ℓ⁺ℓ⁻νν̄를 재구성하고 빠른 시뮬레이션을 수행하였다.
• 신규 스칼라 H가 글루온 융합를 통해 생성되고 WW*로 붕괴한 후 레프톤 붕괴를 겪는 경우를 위해 질량 점별로 100만 건의 이벤트를 시뮬레이션하였다 (90–200 GeV).
• 표준모형 힉스 보손의 경우 전단 질량(mT) 분포를 ATLAS 데이터와 비교하여 시뮬레이션의 정당성을 검증하였다.
• 배경 재조정을 허용하여 CMS 카테고리에서의 배경를 재조정함으로써 민감도를 향상시키기 위해 ATLAS와 CMS 데이터를 종합한 전역 피팅을 수행하였다.
• 로컬 및 글로벌 유의수준을 계산하기 위해 프로파일-우도비 검정 통계량을 사용하였으며, 다른 영역을 탐색할 경우의 영향을 고려했다.
• 특히 효율이 낮은 고-pT2 영역에서 배경 재조정 유무에 따라 신호의 유의수준을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS와 CMS의 런 2 데이터를 종합했을 때, 90–200 GeV 질량 범위 내에서 W 보손으로 붕괴하는 새로운 스칼라 공진형이 존재하는가?
• RQ2 배경 불확실성과 데이터 조합을 고려할 때, WW→ℓνqq 최종 상태에서 관측된 ≈95 GeV의 신호 과잉이 유지되는가?
• RQ3 95 GeV에서의 신호 과잉이 글루온 융합를 통해 생성되고 W 쌍으로 붕괴하는 새로운 스칼라 보손으로 해석될 수 있으며, 표준모형 힉스 유사 행동과 일관되는가?
• RQ4 신호의 유의수준은 예상 한계와 비교해 어떻게 되며, 배경 재조정이 유의수준 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 신호가 W 보손과만 상호작용하는 전하 0인 SU(2)L 삼중항 모델의 중성 스칼라 성분과 일치하는가? 이는 CDF II W 보손 질량 비정상 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 전체 90–200 GeV 질량 범위에서 관측된 단면적 한계가 기대되는 한계보다 약해지며, 새로운 물리 신호에 대한 경향을 나타낸다.
• 약 95 GeV에서 국소적 유의수준이 ≳2.5σ에 도달하며, W 보손으로 붕괴하는 새로운 스칼라에 대해 선호되는 단면적은 ≈0.5 pb이다.
• ATLAS와 CMS 데이터의 종합 피팅 결과 글로벌 유의수준은 2.6σ(재조정) 및 2.8σ(재조정 없음)이며, 95 GeV에서의 신호가 가장 두드러진다.
• CMS 분석에서는 고-pT2 영역에서 심각한 불일치가 나타나며, 효율이 낮아 신호 유의수준이 감소하지만, 종합 피팅 결과는 양의 신호와 일관된다.
• 150 GeV의 경우 더 작은 유의수준(2.2σ 글로벌 유의수준)을 보이며, 95 GeV만큼 강력하지는 않다.
• 결과는 전하 0인 SU(2)L 삼중항의 중성 성분으로서의 새로운 스칼라와 일관되며, 이는 진공 기대값을 통해 CDF II W 보손 질량 측정 비정상 현상을 설명할 수 있다.