[論文レビュー] Search for nonresonant Higgs boson pair production in the four leptons plus two b jets final state 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

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、非共鳴的ヒッグスボソン対生成を探索し、138 fb⁻¹ の統合レイテンスを用いて HH → ZZ*bb → 4ℓbb の崩壊モードに注目した。95%信頼水準における信号強度係数μの上限は32.4であり、ヒッグス三重項自己結合係数κλは観測結果に基づき−8.8 < κλ < 13.4（95% CL）に制約された。これは、標準模型を超える新しい物理に対する重要な制約を提供する。

ABSTRACT

The first search for nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) with one H decaying into four leptons and the other into a pair of b quarks is presented, using proton-proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. A 95% confidence level upper limit of 32.4 is set on the signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed HH production rate in the HH $ o$ ZZ*b$\mathrm{\bar{b}}$ $ o$ 4$\ell$b$\mathrm{\bar{b}}$ decay channel to the standard model expectation. Possible modifications of the H trilinear coupling $\lambda_ ext{HHH}$ with respect to the standard model (SM) value are investigated. The coupling modifier $\kappa_{\lambda}$, defined as $\lambda_ ext{HHH}$ divided by its SM prediction, is constrained to be within the observed (expected) range -8.8 (-9.8) $&lt;$ $\kappa_{\lambda}$ $&lt;$ 13.4 (15.0) at 95% confidence level.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における非共鳴的ヒッグスボソン対生成の探索を、HH → ZZ*bb → 4ℓbb の崩壊モードに焦点を当てて行う。
• 実験データを用いて、ヒッグス三重項自己結合係数λHHH の標準模型予測からのずれを制約する。
• ヒッグス対生成の運動学的性質を調べることで、標準模型を超える新しい物理に対する感度を向上させる。
• 4つのレプトンと2つのbジェットを含む最終状態において、多変量解析を用いて信号強度係数μおよび結合係数κλの上限を改善する。

提案手法

• 本分析では、CMS実験が √s = 13 TeV で収集した138 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 4つの分離したレプトン（e, μ）と2つのbタグ付きジェットの存在に基づいてイベントを選別し、H → ZZ* → 4ℓ および H → bb の崩壊と整合する。
• 運動量およびトポロジー変数を用いたブーストされた意思決定木に基づく多変量解析を採用し、信号とバックグラウンドを区別する。
• 信号およびバックグラウンド過程は、QCDにおけるNLOでPOWHEGおよびMINLOジェネレータを用いてシミュレートされ、一部子分布関数およびαSの不確実性を含む。
• 信号強度係数μは、観測されたHH生成率と標準模型予測との比として定義され、κλはヒッグス三重項結合係数のずれをパrametrizeするのに用いられる。
• 検出器効果、ジェットエネルギースケール、レプトン再構築に関するシステムティック不確実性を慎重に評価し、統計モデルに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV における 4ℓ + 2b ジェット最終状態での非共鳴的ヒッグスボソン対生成の信号強度係数μの上限は何か？
• RQ2 ヒッグス三重項自己結合係数λHHH が標準模型の値からずれると、この最終状態での観測された生成率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 この最終状態を用いて、95%信頼水準における結合係数係数κλ = λHHH / λSM にどのような制約を課せるか？
• RQ4 4ℓ + 2b ジェットモードを組み込むことで、他の崩壊モードと比較して非共鳴的HH生成への感度はどのように向上するか？

主な発見

• 95%信頼水準における信号強度係数μの上限は32.4に設定され、これは標準模型予測に対するHH生成率の観測値に対応する。
• 観測データに基づき、結合係数κλは−8.8 < κλ < 13.4（95% CL）に制約された。期待される上限は−9.8 < κλ < 15.0である。
• 4ℓ + 2b ジェット最終状態では、信号対バックグラウンド比が約1:100に達し、4ℓ崩壊モードの高い純度のおかげで優れた性能を発揮する。
• 4ℓ選別条件を満たすイベントのトリガ効率は98%以上であり、高い再構築効率を確保している。
• ブランチ比の抑制を経た後、HH → ZZ*bb → 4ℓbb の標準模型予測断面積は約4.5 abである。
• 本分析は、4ℓチャネルの高い信号純度とbb崩壊モードの大きなブランチ比を組み合わせることで、非共鳴的ヒッグス対生成への感度を向上させた。