[論文レビュー] Search for Higgs Boson and Observation of Z Boson through their Decay into a Charm Quark-Antiquark Pair in Boosted Topologies in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMS実験が取得した √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb⁻¹ を用いて、ブーストしたトポロジーにおける標準模型ヒッグスボソンが charm クォーク-反クォーク対に崩壊する (H → cc) ことの最初の探索を報告する。解析では、深層ニューラルネットワークに基づく charm タギングと質量非相関のデュアルスコアリング手法を用い、大径ジャケット内の高運動量ヒッグスボソンを同定した。95%信頼水準における σ(H)B(H→cc) の上限は、標準模型予測の 47 倍に達した。一方、Z → cc の崩壊は信号強度 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (系) ± 0.08 (理論) ± 0.06 (統計) で観測された。

ABSTRACT

A search for the standard model (SM) Higgs boson (H) produced with transverse momentum greater than 450 GeV and decaying to a charm quark-antiquark ($\mathrm{c\bar{c}}$) pair is presented. The search is performed using proton-proton collision data collected at $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Boosted H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay products are reconstructed as a single large-radius jet and identified using a deep neural network charm tagging technique. The method is validated by measuring the Z $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay process, which is observed in association with jets at high $p_\mathrm{T}$ for the first time with a signal strength of 1.00 $_{-0.14}^{+0.17}$ (syst) $\pm$ 0.08 (theo) $\pm$ 0.06 (stat), defined as the ratio of the observed process rate to the standard model expectation. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(H) $\mathcal{B}$(H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$) is set at 47 (39) times the SM prediction at 95% confidence level.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV におけるブーストしたトポロジーでの標準模型ヒッグスボソンが charm クォーク-反クォーク対に崩壊する現象を探索すること。
• 大径ジャケット内の H → cc 崩壊を同定するために、質量非相関の深層ニューラルネットワークベースの charm タギング手法を開発・適用すること。
• 高運動量ジャケット内の Z → cc 崩壊過程を初めて観測することで、解析手法の妥当性を検証すること。
• グルーオン-グルーオン融合生成モードにおけるヒッグスボソンの charm クォークへの分岐比に対する 95% 信頼水準の上限を設定すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した √s = 13 TeV における 138 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用いる。
• ジャケットの部分構造観測量を用いて、高運動量の大径ジャケットを、H → cc 崩壊生成物としての可能性があると特定する。
• 質量の相関を排除した深層ニューラルネットワーク（DNN）デュアルスコアリング手法を訓練し、charm ジャケットと軽クォーク・bottom クォークジャケットを区別する。
• この手法の妥当性を検証するため、高運動量イベントにおける Z → cc 崩壊率を測定した。その信号強度は 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (系) ± 0.08 (理論) ± 0.06 (統計) であった。
• 複数の信号領域および制御領域を同時にフィットして信号断面積を抽出し、H → cc、Z → cc、QCDマルチジェット、その他のバックグラウンドのジャケット質量分布をモデル化する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号およびバックグラウンドのモデル化を行い、高次の QCD や電弱効果に対する補正を施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV におけるブーストしたトポロジーで、ヒッグスボソンが charm クォーク-反クォーク対に崩壊する現象は観測可能か？
• RQ2 深層ニューラルネットワークベースの charm タギング手法は、高運動量の大径ジャケット内の H → cc 崩壊に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ3 Z → cc 崩壊過程は高運動量ジャケットで観測可能であり、解析手法の妥当性を検証するための基盤となるか？
• RQ4 95% 信頼水準において、グルーオン-グルーオン融合生成モードにおけるヒッグスボソンの charm クォークへの分岐比の上限は何か？

主な発見

• 高横断運動量のジャケットと関連して、Z → cc 崩壊過程が初めて観測された。信号強度は 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴ (系) ± 0.08 (理論) ± 0.06 (統計) であった。
• 観測された σ(H)B(H → cc) の上限は、95% 信頼水準で標準模型予測の 47 倍に達した。
• 予想される σ(H)B(H → cc) の上限は、95% 信頼水準で標準模型予測の 39 倍であった。
• 深層ニューラルネットワークベースの charm タギング手法は、支配的である QCD マルチジェットバックグラウンドから H → cc シグナルを効果的に分離した。
• 質量非相関のデュアルスコアリング手法を用いることで、ブーストしたヒッグス探索における信号感度を向上させることの有効性が示された。
• 結果として、グルーオン-グルーオン融合生成モードにおける第二世代フェルミオン、特に charm クォークへのヒッグスカップリングに対する新たな制約が得られた。