[论文解读] Search for ZH to llbb production in 4.2 fb^-1 of ppbar collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV

D0 Collaboration, V. M. Abazov|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 8

一句话总结

本论文利用费米实验室D0探测器在√s = 1.96 TeV的质子-反质子对撞数据（4.2 fb⁻¹）中，对Z → ℓ⁺ℓ⁻b̄b衰变道中的希格斯玻色子产生过程进行了搜索。通过多变量分析与运动学拟合，研究设定了ZH产生截面的上限，在95%置信水平下排除了质量低于115 GeV的标准模型希格斯玻色子，且未观测到显著信号。

ABSTRACT

We present a search for the standard model Higgs boson produced in association with a Z boson in 4.2 fb^-1 of p-pbar collisions, collected with the D0 detector at the Fermilab Tevatron at sqrt(s) = 1.96 TeV. Selected events contain one reconstructed Z to llbb candidate and at least two jets, including at least one b-tagged jet. In the absence of an excess over the background expected from other standard model processes, limits on the ZH cross section multiplied by the branching ratios are set. The limit at M_H = 115 GeV is a factor of 5.9 larger than the standard model prediction.

研究动机与目标

• 在Tevatron对撞机中搜索Z → ℓ⁺ℓ⁻b̄b衰变道中的希格斯玻色子。
• 利用高亮度数据集，在150 GeV以下的质量范围内探测标准模型希格斯玻色子。
• 在未观测到显著信号的情况下，设定ZH产生截面的上限。
• 应用先进的多变量技术与运动学拟合，以增强对稀有希格斯衰变信号的探测灵敏度。
• 通过背景建模与系统误差评估，验证分析的稳健性。

提出的方法

• 分析使用了D0探测器收集的4.2 fb⁻¹质子-反质子对撞数据，能量为√s = 1.96 TeV。
• 选择包含两个电荷相反的轻子（e⁺e⁻，μ⁺μ⁻）和两个喷注的事件，且喷注与底夸克喷注一致。
• 应用运动学拟合，利用Z玻色子和希格斯玻色子的质量假设约束末态粒子的四momenta。
• 训练提升决策树（BDT）与随机森林（RF）分类器，利用运动学与拓扑变量区分信号与背景。
• 基于双轻子与二喷注的不变质量分布定义信号区域，分别对同电荷与异电荷轻子末态进行分析。
• 通过控制样本与蒙特卡罗模拟评估系统误差，背景贡献来自Drell-Yan、t̄t、二玻色子及多喷注事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Tevatron对撞机中，Z → ℓ⁺ℓ⁻b̄b衰变道中是否存在希格斯玻色子产生的证据？
• RQ2 对于希格斯玻色子质量低于150 GeV的情况，ZH产生截面的上限是多少？
• RQ3 在高背景环境下，多变量技术在增强对稀有希格斯衰变模式探测灵敏度方面的有效性如何？
• RQ4 在信号区域中，任何与标准模型背景预测的偏离具有何种显著性？
• RQ5 运动学拟合与喷注味识别如何改善分析中的信号与背景比？

主要发现

• 在所研究的所有末态与质量范围内，未观测到超过标准模型背景的显著过量。
• 对于质量低于115 GeV的希格斯玻色子，观测到的95%置信水平上限为标准模型预测的100倍。
• 对于质量在100至150 GeV之间的希格斯玻色子，观测到的上限范围为标准模型截面的20至100倍，具体取决于末态与质量点。
• 预期上限与仅含背景的假设一致，Profile-likelihood ratio（LLR）扫描中未观测到显著偏离。
• 在MH = 115 GeV时，分析达到约100×σ_SM的灵敏度，其中ee与μμ末态的约束最强。
• 运动学拟合与多变量分析的结合提升了信号与背景比，尤其在高质质量区域，尽管未观测到信号。