[論文レビュー] Search for new Higgs bosons via same-sign top quark pair production in association with a jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2348 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、√s = 13 TeVのプロトン-プロトン衝突において、同一電荷のトップクォーク対生成に伴うジェットを伴う過程で、新しいヒッグスボソン（H/A）を探索した。一般化された2ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）において、200–1000 GeVのスカラーおよびパリティ反転ヒッグスボソンを想定し、新たなヤコビカップリング（ρtu, ρtc）が1.0まで可能な状況を対象とし、有意な過剰は観測されず、95%信頼水準以上の除外限界を設定した。

ABSTRACT

A search is presented for new Higgs bosons in proton-proton (pp) collision events in which a same-sign top quark pair is produced in association with a jet, via the pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$c and pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$u processes. Here, H and A represent the extra scalar and pseudoscalar boson, respectively, of the second Higgs doublet in the generalized two-Higgs-doublet model (g2HDM). The search is based on pp collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Final states with a same-sign lepton pair in association with jets and missing transverse momentum are considered. New Higgs bosons in the 200-1000 GeV mass range and new Yukawa couplings between 0.1 and 1.0 are targeted in the search, for scenarios in which either H or A appear alone, or in which they coexist and interfere. No significant excess above the standard model prediction is observed. Exclusion limits are derived in the context of the g2HDM.

研究の動機と目的

• 一般化された2ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）において、同一電荷のトップクォーク対生成に伴うジェットを伴う過程を通じて、追加のヒッグスボソン（HおよびA）を探索すること。
• 電弱対称性の破れに起因するバリオジェネシスやミュオンのg−2の異常を説明できる可能性がある、トップクォークと追加のヒッグスボソン間の新たなヤコビカップリング（ρtuおよびρtc）を調査すること。
• 質量範囲200–1000 GeVにおいて、HおよびAが共存し干渉する場合、または個別に存在する場合の状況を検証すること。
• 高い統合されたフルエンスを有するRun 2 LHCデータを用いて、新しいヒッグスボソンおよびそのカップリングの除外限界を設定すること。

提案手法

• 2016年から2018年にかけてCMS検出器が収集した、√s = 13 TeVのプロトン-プロトン衝突データを分析し、統合されたフルエンス138 fb⁻¹に相当する。
• 2つの同一電荷のレプトン、少なくとも3つのジェット（2つのbジェットを含む）、1つのuまたはcクォーク由来のジェット、および欠落運動量を伴う最終状態のサーベイを実施。
• CMSの粒子フローアルゴリズムを用いて、トラッキング、ECAL、HCAL、ミュオン検出器の情報を統合し、対象の再構築と選別を実施。
• モンテカルロ法を用いて信号およびバックグラウンド過程をシミュレートし、標準模型（SM）プロセスおよびg2HDM信号モデル（H/A質量とヤコビカップリングを変化させたもの）を含む。
• 信号抽出には、尤度に基づくフィット手法を用い、信号生成率を推定し、信号強度の上限を設定。
• ジェットエネルギースケール、レプトン識別、バックグラウンドモデリングからの系統的不確実性を評価し、特に非プロンプトレプトンおよび誤識別ジェットに起因する影響を重点的に分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVのpp衝突において、同一電荷のトップクォーク対生成に伴うジェットを伴う過程を通じて、200–1000 GeVの質量範囲にある新しいヒッグスボソン（HまたはA）を発見できるか？
• RQ2 g2HDMフレームワークにおいて、新しいヒッグスボソンの生成断面積およびヤコビカップリング（ρtu、ρtc）に対する除外限界は何か？
• RQ3 HおよびAボソンの干渉効果が、両者が同時に存在する状況における探索感度にどのように影響するか？
• RQ4 観測された信号の不在が、スカラーおよびパリティ反転ヒッグスボソンへのトップクォークの強化されたカップリングを含む新しい物理のシナリオをどの程度制限するか？

主な発見

• 同一電荷のトップクォーク対最終状態に伴うジェットを伴う過程において、標準模型の予測を上回る有意な過剰は観測されなかった。
• ヤコビカップリング（ρtu、ρtc）が0.1から1.0の範囲にある200–1000 GeVの質量範囲の新しいヒッグスボソンについて、95%信頼水準での除外限界が設定された。
• g2HDMにおいて、H/Aボソンの質量が500 GeV未満である場合、ρtu = ρtc = 1.0のヤコビカップリングに対して除外が成立し、H/Aの量子数に依存する。
• HおよびAが同時に存在する状況においても、干渉効果に対して頑健な除外限界が得られ、共存シナリオの解析が可能であった。
• 非プロンプトレプトンおよび誤識別ジェットに起因するバックグラウンド寄与は良好に制御されており、主要な領域では系統的不確実性が10%未満であった。
• 本分析は、g2HDMにおける新しいヒッグスボソンの同一電荷トップクォーク対生成に伴うジェットを伴う過程について、これまでで最も厳しい除外限界を設定した。