[论文解读] Combination of searches for invisible decays of the Higgs boson using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt{s} = 13$ TeV collected with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文利用 √s = 13 TeV 下的 139 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，以及先前的 Run 1 结果，对 ATLAS 实验中寻找隐形 Higgs 玻色子衰变的统计结果进行了组合。该研究设定了迄今为止最灵敏的直接限制，观测到（预期的）95% 置信水平下 Higgs 隐形分支比的上限分别为 0.107（0.077），从而对 Higgs 门户型暗物质模型提供了约束。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model predict the production of dark matter particles at the LHC. Sufficiently light dark matter particles may be produced in decays of the Higgs boson that would appear invisible to the detector. This Letter presents a statistical combination of searches for H→invisible decays where multiple production modes of the Standard Model Higgs boson are considered. These searches are performed with the ATLAS detector using 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre–of–mass energy of Image 1 at the LHC. In combination with the results at Image 2 and Image 3, an upper limit on the H→invisible branching ratio of 0.107 (0.077) at the 95% confidence level is observed (expected). These results are also interpreted in the context of models where the 125 GeV Higgs boson acts as a portal to dark matter, and limits are set on the scattering cross-section of weakly interacting massive particles and nucleons.

研究动机与目标

• 通过结合 Run 2 和 Run 1 数据中的多种产生模式，提高对隐形 Higgs 玻色子衰变的灵敏度。
• 约束 Higgs 玻色子作为通往隐藏扇区门户的暗物质模型。
• 设定比以往单独或部分组合结果更严格的 Higgs 隐形分支比上限。
• 考虑不同搜索通道和数据采集周期之间的相关不确定性。
• 为高能物理中多个末态的组合提供稳健的统计框架。

提出的方法

• 对五种 ATLAS 搜索通道进行统计组合：VBF + EmissT、Z(→ℓℓ) + EmissT、tt̄ + EmissT、VBF + EmissT + γ，以及 Higgs + jet + EmissT。
• 采用统一的统计模型，全面关联各通道和数据运行中的信号与背景不确定性。
• 将 Run 1 结果（在 √s = 7 和 8 TeV 下）纳入组合，以增强灵敏度。
• 应用轮廓似然比检验，在 95% 置信水平下设定隐形分支分数的上限。
• 使用蒙特卡洛模拟和数据驱动技术建模背景，并估计系统不确定性。
• 实施联合拟合，考虑所有通道和运行中实验和理论不确定性的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用完整的 Run 2 数据集和先前 Run 1 数据的前提下，Higgs 玻色子衰变为隐形末态的分支比最严格的上限是多少？
• RQ2 不同的 Higgs 产生模式（如 VBF、Vh、tth 等）在寻找隐形衰变的整体灵敏度中贡献如何？
• RQ3 通道之间以及数据采集周期之间的相关不确定性在多大程度上影响最终的限制结果？
• RQ4 这些结果在多大程度上约束了 Higgs 玻色子通过 Higgs 门户与暗物质相互作用的模型？
• RQ5 该限制对暗物质直接探测实验中弱相互作用大质量粒子（WIMP）-核子散射截面有何影响？

主要发现

• 在 95% 置信水平下，Higgs 玻色子隐形分支比的观测上限为 0.107，代表迄今为止最灵敏的直接约束。
• 预期上限为 0.077（95% 置信水平），表明在无信号情况下具有强大的统计功效。
• 将 Run 2 和 Run 1 数据组合后，灵敏度显著优于仅使用 Run 2 数据的情况，预期上限降低了约 10%。
• 结果对 Higgs 门户型暗物质模型施加了约束，设定了 Higgs 与暗物质耦合常数以及 WIMP-核子散射截面的限制。
• 对于质量为 125 GeV 的 Higgs 门户模型且暗物质质量为 100 GeV 的情形，WIMP-核子自旋无关散射截面的上限为 1.1 × 10⁻⁴⁴ cm²。
• 该组合结果优于以往 ATLAS 和 CMS 的限制，观测到的上限低于 ATLAS 仅使用 Run 2 数据时报告的 0.145。