[論文レビュー] Search for Higgs boson pairs decaying to WW*WW*, WW*$ au au$, and $ au au au au$ 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 2

ひとこと要約

本論文は、CMS実験が取得した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突においてヒッグスボソン対生成の探索を報告している。WW*、ττ、ττττ崩壊の最終状態において、非共鳴および共鳴HH生成を調査し、有意な信号は観測されず、有効場理論および共鳴モデルを用いた新しい物理モデルの下で、三重ヒッグス自己結合定数および制限が厳しく設定された。

ABSTRACT

The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WWWW, WW$ au au$, and $ au au au au$ decay modes are presented. The search uses 138 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval -6.9 to 11.1 (-6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production amount to 0.18-0.90 (0.08-1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250-1000 GeV.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）におけるグルーオン融合およびベクトルボソン融合経由での非共鳴ヒッグスボソン対（HH）生成の探索。
• 2つのヒッグスボソンに崩壊する新しい重い粒子Xを介した共鳴HH生成の探査。
• HH崩壊最終状態を用いて、標準模型予測との比較における三重ヒッグス自己結合定数の制約。
• グルーオンおよびトップクォークを含む結合に注目した有効場理論（EFT）アプローチを用いた新しい物理モデルのテスト。
• 複数の崩壊チャネルおよび共鳴質量に対して、HH生成断面積の上限を設定。

提案手法

• CMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を分析。
• 2つ、3つ、または4つの再構築されたレプトン（電子、ミューオン、ハドロン的崩壊するタウ）を有するイベントを特定。
• ブーストド・ディシジョンツリーおよびXGBoostを含む多次元解析手法を用いて、信号とバックグラウンドを分離。
• 積層の影響低減およびジェットエネルギースケール補正を適用して再構築精度を向上。
• 特にττττおよびWW*チャネルにおいて、イベント再構築およびインバリアント質量再構築を実施。
• アセプトティック検定統計およびプロファイル尤度比法を用いて、95%信頼水準での上限を設定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WW*、ττ、ττττ崩壊モードにおける非共鳴ヒッグスボソン対生成の観測断面積は何か？
• RQ2 信号が観測されなかったという事実を踏まえて、三重ヒッグス自己結合定数は標準模型予測からどの程度ずれているか？
• RQ3 250から1000 GeVの質量を有する新しい重い粒子Xを介した共鳴HH生成に対する制約は何か？
• RQ4 有効場理論結合（cg、c2g、c2）はHH生成率にどのように影響を及ぼし、どのような制限が設定できるか？
• RQ5 さまざまな最終状態および共鳴モデルにおけるHH生成断面積の上限は何か？

主な発見

• どのHH崩壊チャネルにおいても有意な信号は観測されず、95%信頼水準における非共鳴HH断面積の観測（予想）上限は、それぞれSM予測の21.3（19.4）倍であった。
• 三重ヒッグス自己結合定数のSM値に対する比は、観測結果で[−6.9, 11.1]、予想結果で[−6.9, 11.7]の範囲に制限された（95%信頼水準）。
• 共鳴HH生成断面積の観測（予想）上限は、250から1000 GeVの共鳴質量に対して、それぞれ0.18〜0.90 pb（0.08〜1.06 pb）の範囲であった。
• 有効場理論結合に対して制限が設定され、TeVスケールでのHH生成に寄与する新しい物理の寄与が制限された。
• 13 TeVにおけるττττおよびWW*最終状態におけるHH生成に対して、これまでで最も厳しい上限が設定された。
• 結果は標準模型と整合的であり、三重ヒッグス自己結合定数の大きなずれおよび重い共鳴を伴う新しい物理モデルは排除された。