[논문 리뷰] The compatibility of LHC Run 1 data with a heavy scalar of mass around 270\,GeV

S. E. von Buddenbrock, Nabarun Chakrabarty외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 약 272 GeV의 가벼운 스칼라 보손에 대한 LHC 런 1 데이터의 호환성을 조사하며, 특히 이중 힉스, 토프-연계, VV 공명 탐색에서 관측된 초과 현상이 하나의 블록스마스터 물리학(BCP) 입자가 힉스 보손, 미량 에너지, 또는 제트로 붕괴함으로써 설명될 수 있음을 제안한다. 통계적 분석 결과, 최적의 질량은 272⁺¹²₋₉ GeV이며 유의미도 약 3 표준편차로, 원래의 탐색에서 최적화되지 않은 잠재적인 새로운 물리 신호를 시사한다.

ABSTRACT

The first run of the LHC was successful in that it saw the discovery of the elusive Higgs boson, a particle that is consistent with the SM hypothesis. There are a number of excesses in Run 1 ATLAS and CMS results which can be interpreted as being due to the existence of another heavier scalar particle. This particle has decay modes which we have studied using LHC Run 1 data. Using a minimalistic model, we can predict the kinematics of these final states and compare the prediction against data directly. A statistical combination of these results shows that a best fit point is found for a heavy scalar having a mass of 272$^{+12}_{-9}$\,GeV. This result has been quantified as a three sigma effect, based on analyses which are not necessarily optimized for the search of a heavy scalar. The smoking guns for the discovery of this new heavy scalar and the prospects for Run 2 are discussed.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 1 힉스 보손 데이터에서 관측된 다양한 초과 현상—다양한 $p_T$, 이중 힉스, 토프-연계, $VV$ 공명 탐색—이 하나의 무거운 스칼라 보손에 의해 일관적으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 새로운 무거운 스칼라 보손이 $hh$, $h\chi\chi$ (여기서 $\chi$는 어둠자기물질임) 또는 $hjj$로 붕괴함으로써 관측된 표준모형 예측과의 편차를 설명할 수 있는 가설을 시험하기 위해.
• 최소한의 효과적 양자장 이론 모델을 사용하여, 무거운 스칼라에 대해 사전 최적화되지 않은 여러 최종 상태에서의 초과 현상의 유의미도를 정량화하기 위해.
• 런 2 데이터에서 이러한 무거운 스칼라 보손을 발견하기 위한 핵심 실험적 서명—'흡연 증거'—를 식별하기 위해.

제안 방법

• ATLAS와 CMS의 14개 독립적인 LHC 런 1 결과를 통합하여 분석하였으며, 표준모형(SM) 가설 대비 블록스마스터 물리학(BCP) 모델에 대한 검증 통계량인 $\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$ 을 사용하였다.
• BCP 모델은 질량 $m_H$ 를 가진 무거운 스칼라 $H$ 를 도입하며, SM 힉스 보손 및 어둠자기물질 또는 강입자 제트에 효과적 결합을 통해 상호작용하며, 붕괴 모드로는 $H \to hh$, $H \to h\chi\chi$, $H \to hjj$ 를 포함한다.
• 최적의 질량을 찾기 위해 $m_H$ 에 대한 최소화 절차를 수행하였으며, 불확실성은 프로파일 likelihood 및 검정 통계량을 통해 추정하였다.
• 특히 $pp \to H \to hh$ 와 $H \to h\chi\chi$ 에 의한 기여로 인한 힉스 보손 횡방향 운동량($p_T^h$) 스펙트럼의 운동학적 왜곡을 모델이 고려하였다.
• 관측된 초과 현상의 유의미도는 검정 통계량 분포를 사용하여 정량화하였으며, 자유도 1에 대해 $1\sigma$, $2\sigma$, $3\sigma$ 밴드를 제공하였다.
• 이중 힉스, $VV$, $hjj$의 진동질량 스펙트럼에서의 공명 구조, 제트 다중도 증가, 그리고 부족한 횡방향 에너지 등에 기반하여 '흡연 증거' 서명을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 1 힉스 보손 데이터에서 관측된 초과 현상—$p_T^h$, 이중 힉스, 토프-연계, $VV$ 공명 탐색에서—이 하나의 무거운 스칼라 보손에 의해 일관적으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 만약 무거운 스칼라 보손이 $hh$, $h\chi\chi$, 또는 $hjj$ 로 붕괴한다면, 그 최적의 질량과 유의미도는 무엇인가?
• RQ3 무거운 스칼라 탐색에 대해 최적화되지 않은 분석을 사용할 경우 결과는 얼마나 강인한가? 그리고 NNLO QCD 보정의 영향은 무엇인가?
• RQ4 런 2 데이터에서 이러한 무거운 스칼라 보손을 발견하기 위해 가장 민감한 최종 상태 또는 '흡연 증거' 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 가능한 무거운 스칼라 보손의 최적 질량은 다수의 LHC 런 1 결과를 통합 분석한 결과 $272^{+12}_{-9}$ GeV로 도출되었다.
• 관측된 데이터는 검정 통계량 $\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$ 를 기반으로, 표준모형 가설 대비 BCP 모델에 대해 약 3 표준편차의 유의미도를 보였다.
• 유의미도의 가장 큰 기여는 이중 힉스 보손 공명 탐색에서 비롯되었으며, 특히 $H \to hh$ 붕괴에서 ATLAS 및 CMS 데이터에서 횡단면이 증가한 것으로 나타났다.
• 특히 $H \to hh$ 및 $H \to hjj$ 붕괴를 통해 $H$-중재된 생성 메커니즘으로 인해 $p_T^h$ 스펙트럼과 제트 다중도의 관측 초과 현상이 설명되었다.
• 결과는 NNLO QCD 보정을 포함하더라도 강인하여, 고차수 QCD 효과로 인한 유의미도의 변화는 크지 않다.
• 연구는 런 2에서의 발견을 위한 일곱 가지 핵심 '흡연 증거' 서명을 식별하였으며, 이는 $hjj$, $hh$, $VV$의 진동질량 피크, 그리고 토프-연계 힉스 사건에서의 증가한 부족한 횡방향 에너지를 포함한다.