[論文レビュー] Search for Higgs boson decays into Z and J/$\psi$ and for Higgs and Z boson decays into J/$\psi$ or $\Upsilon$ pairs in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2348 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、CMS検出器を用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 138 fb⁻¹ を用いて、ヒッグスボソンがZボソンとJ/ψまたはψ(2S)メソンに崩壊する過程、およびヒッグスボソンとZボソンがクォーカーミュウ対に崩壊する過程の最初の探索が行われた。有意な信号は観測されず、95%信頼水準における branching fraction の上限は、H → ZJ/ψ で 1.9 × 10⁻³、H → Zψ(2S) で 6.6 × 10⁻³ に設定され、標準模型を超える素粒子物理学に対する厳密な制約が得られた。

ABSTRACT

Decays of the Higgs boson into a Z boson and a J/$\psi$ or $\psi$(2S) meson are searched for in four-lepton final states with the CMS detector at the LHC. A data set of proton-proton collisions corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ is used. Using the same data set, decays of the Higgs and Z boson into quarkonium pairs are also searched for. An observation of such decays with this sample would indicate the presence of physics beyond the standard model. No evidence for these decays has been observed and upper limits at the 95% confidence level are placed on the corresponding branching fractions ($\mathcal{B}$). Assuming longitudinal polarization of the Higgs boson decay products, 95% confidence level observed upper limits for $\mathcal{B}$(H $ o$ J/$\psi$) and $\mathcal{B}$(H $ o$ Z$\psi$(2S)) are 1.9$ imes$10$^{-3}$ and 6.6$ imes$10$^{-3}$, respectively.

研究の動機と目的

• 4 レプトン最終状態において、希少なヒッグスボソン崩壊 H → Z + J/ψ または ψ(2S) メソンへの崩壊を探索すること。
• フェルミオンへのヤコビアンカップリングの増強可能性を調査し、標準模型を超える新しい物理現象を示唆する可能性があること。
• ヒッグスボソンおよびZボソンがクォーカーミュウ対 (J/ψJ/ψ、Υ(nS)Υ(mS)) に崩壊する branching fraction の上限を設定すること。
• 標準模型では極めて抑制されているが、新しい物理モデルでは増幅される可能性のある希少ヒッグス崩壊への感度を向上させること。
• 重いクォークおよびクォーカーミュウ状態へのヒッグスカップリングの増幅を予測する理論的モデルに対する制約を提供すること。

提案手法

• Zボソンを μ⁺μ⁻ または e⁺e⁻ 崩壊チャンネル、J/ψ メソンを μ⁺μ⁻ 崩壊チャンネルで再構築した。
• X（主に ππ）を再構築しないで、ψ(2S) メソンの J/ψX 崩壊を通じて包含的再構築を実施した。
• 4 レプトン最終状態における共鳴状態の同定に、インヴァリアント質量再構築および運動論的フィッティングを適用した。
• Z + ジェットおよび誤って特定されたメソン背景をモデル化するため、制御領域とモンテカルロシミュレーションを用いたバックグラウンド推定手法を採用した。
• プロファイル尤度法を用いて、95%信頼水準における観測および期待される branching fraction の上限を計算した。
• 信号領域における感度を向上させるために、ヒッグス崩壊生成物の縦偏光を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンがZボソンとJ/ψメソンに崩壊する branching fraction は何か？ また、これは標準模型の予測と整合的か？
• RQ2 138 fb⁻¹ の 13 TeV pp 衝突データを用いた 4 レプトン最終状態において、H → Zψ(2S) の証拠を観測できるか？
• RQ3 J/ψ や Υ などのクォーカーミュウ状態へのヒッグスカップリングが増幅されており、標準模型を超える新しい物理現象を示唆する兆候があるか？
• RQ4 ヒッグスボソンおよびZボソンがクォーカーミュウ対 (J/ψJ/ψ、Υ(nS)Υ(mS)) に崩壊する際の上限は何か？
• RQ5 観測された上限は、ヤコビアンカップリングの増幅を予測する理論的予測と比較してどうなるか？

主な発見

• 4 レプトン最終状態における H → ZJ/ψ および H → Zψ(2S) 崩壊の探索において、有意な信号は観測されなかった。
• ヒッグス崩壊生成物の縦偏光を仮定した場合、95%信頼水準における観測上限として B(H → ZJ/ψ) が 1.9 × 10⁻³ に設定された。
• 同じ仮定のもとで、95%信頼水準における観測上限として B(H → Zψ(2S)) が 6.6 × 10⁻³ に設定された。
• 観測された上限は、これらの崩壊に対する標準模型の予測よりも 1000 倍以上も大きい。
• これらの希少ヒッグス崩壊に対する、これまでで最も厳しい制約が得られ、新しい物理モデルにおける大幅な増幅を除外した。
• 本研究は、以前の探索を更新し、ヒッグス崩壊がクォーカーミュウ対に及ぶ感度を拡張し、このような過程に対する新たな境界を設定した。