[论文解读] A search for decays of the Higgs boson to invisible particles in events with a top-antitop quark pair or a vector boson in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V} $

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2329 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用 1

一句话总结

本研究在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中搜索希格斯玻色子的隐形衰变，重点关注与顶夸克对或矢量玻色子联合产生的希格斯玻色子，其中关联粒子发生强子衰变。利用 138 fb⁻¹ 的数据，该分析在 95% 置信水平下对分支比 B(H → inv) 设定上限为 0.54（预期为 0.39），并结合先前的搜索结果，得到联合上限为 0.15（预期为 0.08）。

ABSTRACT

A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at ${\sqrt{s}=13\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}}$ by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$\, ext {fb}^{-1}$. The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$\, ext {Ge}\hspace{-.08em} ext {V}$ Higgs boson to invisible particles, ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$, is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ searches carried out at ${\sqrt{s}=7}$, 8, and 13$\, ext {Te}\hspace{-.08em} ext {V}$ in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on ${\mathcal {B}({ extrm{H}} ightarrow ext {inv})}$ is 0.15 (0.08 expected).

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 下，搜索与顶夸克对或矢量玻色子联合产生的希格斯玻色子的隐形衰变。
• 探索标准模型之外的物理，特别是涉及暗物质与希格斯玻色子耦合的场景。
• 通过分析关联粒子完全强子衰变的最终态，改进对分支比 B(H → inv) 的约束。
• 利用控制区域和强子反冲判据，有效抑制丢失轻子和重建错误喷注带来的背景贡献。

提出的方法

• 使用 CMS 实验在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 应用事件选择标准，要求来自顶夸克或矢量玻色子衰变的喷注，同时排除孤立轻子或光子以抑制背景。
• 将强子反冲（缺失横向动量与轻子/本征光子横向动量的矢量和）作为主要区分判据。
• 对信号区域和控制区域进行联合拟合，以约束背景并提取信号强度。
• 利用丢失轻子事件（ℓlost）和 Z → inv 事件丰富的控制区域，从数据中约束主要的 SM 背景。
• 将本分析结果与之前在 √s = 7、8 和 13 TeV 下的 CMS 搜索结果（包括 VBF、VH 和 ttH 模式）相结合，以提升灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 下，与顶夸克对或矢量玻色子联合产生的希格斯玻色子的分支比 B(H → inv) 的上限是多少？
• RQ2 强子反冲分布如何帮助区分 H → inv 信号与标准模型背景？
• RQ3 与先前 CMS 对隐形希格斯衰变的搜索结果相结合，灵敏度提升了多少？
• RQ4 控制区域在多大程度上有效约束了丢失轻子和 Z → inv 背景？
• RQ5 在所有互补产生模式下，B(H → inv) 的联合上限是多少？

主要发现

• 利用 138 fb⁻¹ 的 13 TeV 数据，ttH 和 VH 最终态的 B(H → inv) 在 95% 置信水平下的上限为 0.54（预期为 0.39）。
• 在所有互补产生模式（VBF、VH、ttH）下，B(H → inv) 的联合上限为 0.15（预期为 0.08），相比以往限制有显著改进。
• 本分析在 95% 置信水平下对 B(H → inv) 的上限为 0.15，是目前单个实验获得的最严格约束。
• 利用数据验证了丢失轻子和 Z → inv 背景的控制区域，确保了背景估计的稳健性。
• 强子反冲变量能有效分离 H → inv 信号与主要的 SM 背景，尤其在高反冲区域表现突出。
• 通过结合先前的搜索结果，充分利用了互补的运动学信息和产生模式，显著提升了整体灵敏度。