[论文解读] Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2352 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用CMS实验采集的138 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索了希格斯玻色子衰变为Z玻色子与一个光子（H → Zγ）的过程。通过根据产生机制对事件进行分类，并利用多变量分析提升灵敏度，研究测得信号强度为μ = 2.4 ± 0.9，对应σ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pb，局部显著性为2.7σ，并报告分支比之比B(H → Zγ)/B(H → γγ) = 1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶，与标准模型在1.5σ水平下一致。

ABSTRACT

Results are presented from a search for the Higgs boson decay H$ o$Z$\gamma$, where Z$ o\ell^+\ell^-$ with $\ell$ = e or $\mu$. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strength $\mu$, defined as the product of the cross section and the branching fraction [$\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$] relative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the $\ell^+\ell^-\gamma$ invariant mass distributions in all categories and is found to be $\mu$=2.4$\pm$0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to $\sigma($pp$ o$H$)\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)$ = 0.21$\pm$0.08 pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level on $\mu$ is 4.1 (1.8). The ratio of branching fractions $\mathcal{B}($H$ o$Z$\gamma)/\mathcal{B}($H$ o\gamma\gamma)$ is measured to be 1.5$^{+0.7}_{-0.6}$, which agrees with the standard model prediction of 0.69 $\pm$ 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索希格斯玻色子稀有衰变H → Zγ（Z → ℓ⁺ℓ⁻）的过程。
• 通过精确测量H → Zγ分支比及其与H → γγ的比值，探测标准模型之外的物理现象。
• 通过根据不同的希格斯玻色子产生机制（ggF、VBF、VH和ttH）对事件进行分类，以提高灵敏度。
• 测量信号强度μ = σ(pp → H)B(H → Zγ)/σ_SM(pp → H)B_SM(H → Zγ)，并检验其与标准模型预测的一致性。

提出的方法

• 本分析使用了CMS实验在√s = 13 TeV下采集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 根据是否存在额外轻子（来自W/Z或顶夸克衰变）、二胶球运动学特征（用于VBF）以及ℓ⁺ℓ⁻γ不变质量拓扑结构对事件进行分类。
• 训练多变量分析（MVA）判据，以在各类别中利用运动学差异区分信号与背景。
• 对所有类别中的ℓ⁺ℓ⁻γ不变质量分布进行联合最大似然拟合，以提取信号强度和限制。
• 背景由Drell–Yan + γ和Drell–Yan + jets模型描述，包括误识别的光子或轻子。
• 系统误差评估涵盖信号和背景建模，包括探测器效应、喷流能量标度以及光子识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV pp碰撞中是否观测到希格斯玻色子衰变H → Zγ？其相对于标准模型预测的信号强度如何？
• RQ2 分支比之比B(H → Zγ)/B(H → γγ)的测量值是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ3 ℓ⁺ℓ⁻γ不变质量分布中观测到的过量是否可由仅背景假设解释？
• RQ4 在95%置信水平下，σ(pp → H)B(H → Zγ)的观测值与预期值上限分别是多少？
• RQ5 该搜索在不同希格斯玻色子产生机制下的灵敏度如何变化？

主要发现

• 测得信号强度为μ = 2.4 ± 0.9，表明在背景仅假设下存在2.7σ的局部显著性过量。
• 观测到的截面乘以分支比为σ(pp → H)B(H → Zγ) = 0.21 ± 0.08 pb。
• 在背景仅假设下，μ的观测（预期）95%置信水平上限分别为4.1（1.8）。
• 分支比之比B(H → Zγ)/B(H → γγ)测得为1.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶，与标准模型预测值0.69 ± 0.04在1.5σ水平下一致。
• 通过根据产生拓扑结构对事件分类，并利用MVA判据抑制背景，分析显著提升了灵敏度。
• 结果与标准模型一致，为稀有希格斯衰变及H → Zγ通道中潜在的新物理提供了严格检验。