[论文解读] Model-independent search for the presence of new physics in events including $H ightarrow\gamma\gamma$ with $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp data recorded by the ATLAS detector at the LHC

Aad, G., Abbott, B.+2881 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

此模型无关的搜索利用ATLAS探测器采集的139 fb⁻¹ 13 TeV质子-质子碰撞数据，探测希格斯玻色子衰变至双光子过程中的新物理现象，考察22种末态（包含多种关联粒子）。未观测到显著过量；在95%置信水平下设定了新物理产生截面的上限，报告了在基准BSM情景下的探测器级效率，用于模型无关的解释。

ABSTRACT

A model-independent search for new physics leading to final states containing $H ightarrowγγ$ decays is performed with 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp collision data recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. This search examines 22 final states categorized by the objects that are produced in association with the Higgs boson. These objects include isolated electrons or muons, hadronically decaying $τ$-leptons, additional photons, missing transverse momentum, and hadronic jets, as well as jets that are tagged as containing a b-hadron. No significant excesses above Standard Model expectations are observed and limits on the production cross section at 95% confidence level are set. Detector efficiencies are reported for all 22 signal regions, which can be used to convert detector-level cross-section limits reported in this paper to particle-level cross-section constraints.

研究动机与目标

• 在不假设特定BSM模型的前提下，搜索希格斯玻色子衰变至双光子过程中超出标准模型（BSM）的新物理。
• 识别希格斯玻色子在包含轻子、喷注、光子和缺失横向动量等关联粒子的多种末态中产生率的偏离。
• 在探测器级别设定BSM希格斯产生截面的上限，以便可解释为各种BSM模型的粒子级别约束。
• 报告22个信号区域的探测器效率，使截面限制可转化为未来模型比较的粒子级别约束。

提出的方法

• 本分析使用大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹ 13 TeV pp碰撞数据。
• 信号区域通过与希格斯玻色子关联的粒子（包括电子、μ子、τ轻子、光子、喷注、b夸克喷注和缺失横向动量）的存在及其运动学性质定义。
• 利用双光子不变质量（mγγ）分布来建模信号与背景，背景通过基于拟合的分析函数方法估算。
• 利用蒙特卡洛模拟计算22个信号区域在多个基准BSM模型下的探测器级效率。
• 对SM和BSM希格斯产生建模、连续背景和共振背景产额的系统不确定性进行了评估。
• 采用Profile-likelihood ratio方法，在95%置信水平下设定BSM产生截面的上限，并报告了信号区域之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当希格斯玻色子衰变为两个光子时，在包含关联粒子的多种末态中，其产生率是否在统计上显著偏离标准模型预期？
• RQ2 能否利用具有不同关联粒子的双光子末态，设定新物理产生截面的模型无关限制？
• RQ3 22个信号区域中的探测器级效率如何变化？它们如何实现将限制解释为BSM模型的粒子级别截面？
• RQ4 该搜索对不同BSM情景（如超对称、FCNCs或矢量型夸克）的灵敏度如何，以探测器级别截面限制量化？
• RQ5 高事件数信号区域之间的相关性如何反映在观测到的上限中？

主要发现

• 在全部22个信号区域中均未观测到显著超出标准模型预期的过量。
• 在所有22个信号区域中均设定了95%置信水平下新物理产生截面的上限，其数值范围约为标准模型希格斯玻色子截面的0.1至10倍，具体取决于末态。
• 报告了每个信号区域的探测器级效率，其值根据末态粒子的运动学性质和模型的不同，从约10%至80%以上不等。
• 由于背景水平低且质量分辨率高，本分析在H→γγ通道中实现了具有竞争力的灵敏度，从而实现了稳健的信号与背景分离。
• 报告了高事件数信号区域之间观测上限的相关性，表明其对共同的BSM信号具有共享的敏感性。
• 结果以模型无关格式提供，探测器级别限制与效率数据可被重新解释，适用于广泛BSM理论（包括超对称、FCNCs和矢量型夸克）的未来比较。