[论文解读] LHC Higgs Boson searches

W. J. Murray|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文总结了ATLAS与CMS合作组利用LHC的1 fb⁻¹数据对标准模型希格斯玻色子的搜索，采用多种衰变道和产生模式。报告在95%置信水平下排除了质量范围155–190 GeV和295–450 GeV（ATLAS）以及149–206 GeV、270–290 GeV和300–400 GeV（CMS）内的希格斯玻色子，同时在120–150 GeV附近观察到2–3σ的显著过剩，可能表明存在低质量希格斯玻色子或统计涨落。

ABSTRACT

A summary of the Higgs boson searches by the ATLAS and CMS collabrations using 1 f b-1 of LHC data is presented, concentrating on the Standard Model Higgs boson. Both experiments have the sensitivity to exclude at 95% CL a Standard Model Higgs boson in most of the Higgs boson mass region between about 130 GeV and 400 GeV. The observed data allow the exclusion of a Higgs Boson of mass 155 GeV to 190 GeV and 295 GeV to 450 GeV (ATLAS) and 149 GeV to 206 GeV and 300 GeV to 440 GeV (CMS). The lower limits are not as constraining as might be expected due to an excess in both experiments of order 2-3σ which could be related to a low mass Higgs boson or to a statistical fluctuation.

研究动机与目标

• 利用LHC的1 fb⁻¹数据检验标准模型希格斯玻色子的存在性。
• 评估ATLAS与CMS实验在宽广质量范围内对希格斯玻色子产生的敏感度。
• 识别并解释异常现象，例如在低质量区域观察到的2–3σ过剩，可能表明存在希格斯信号或统计涨落。
• 比较不同搜索通道（γγ、WW、ZZ、bb̄、ττ）在不同实验和质量区域的表现。
• 提供在后续数据更新之前，希格斯玻色子搜索方法与结果的历史快照。

提出的方法

• 结合多种衰变道（γγ、WW、ZZ、bb̄、ττ）以增强在不同质量区域对希格斯玻色子的探测灵敏度。
• 在CMS的WW→ℓνℓν和ZZ→ℓℓℓℓ搜索中采用多变量分析技术，相比ATLAS的截断基方法提升了灵敏度。
• 分析三种主要的希格斯玻色子产生模式：胶子-胶子融合、矢量玻色子融合（VBF）以及与W/Z玻色子或顶夸克的关联产生。
• 对质量谱中所有信号强度应用95%置信水平（CL）极限，以排除希格斯玻色子。
• 对ATLAS与CMS分别进行独立分析及联合分析，比较实验间观测到和预期的排除极限。
• 在背景仅假设下，使用p值评估观测过剩的显著性，未进行“寻找其他区域效应”校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS与CMS利用LHC的1 fb⁻¹数据，在95%置信水平下排除了标准模型希格斯玻色子的哪些质量范围？
• RQ2 为何较低质量的排除限（149–155 GeV）高于预期？在低质量区域观测到的2–3σ过剩意味着什么？
• RQ3 ATLAS与CMS在不同希格斯衰变道和质量区域的敏感度如何比较？
• RQ4 多变量分析技术在提升灵敏度方面发挥了何种作用，特别是在WW→ℓνℓν通道中？
• RQ5 在128 GeV、145 GeV和246 GeV处观测到的过剩与背景仅假设相比偏离程度如何？

主要发现

• ATLAS在95%置信水平下排除了质量范围155–190 GeV和295–450 GeV内的标准模型希格斯玻色子。
• CMS在95%置信水平下排除了质量范围149–206 GeV、270–290 GeV和300–400 GeV内的希格斯玻色子。
• 在120–150 GeV附近，ATLAS与CMS数据中均观察到持续的2–3σ过剩，主要由WW→ℓνℓν和γγ通道驱动，可能表明存在希格斯信号或统计涨落。
• 由于在WW和ZZ搜索中采用优化的多变量分析，CMS在约160 GeV和250 GeV处的灵敏度高于ATLAS。
• ATLAS在340 GeV以上表现出更高的灵敏度，主要得益于ZZ→ℓℓνν通道。
• ATLAS在246 GeV和580 GeV处的观测过剩未得到CMS数据的有力支持，表明可能是局部涨落。