[论文解读] Search for a CP-odd Higgs boson decaying into a heavy CP-even Higgs boson and a $Z$ boson in the $\ell^+\ell^- t\bar{t}$ and $ u\bar{ u}b\bar{b}$ final states using 140 fb$^{-1}$ of data collected with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2981 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用LHC Run 2期间ATLAS探测器采集的140 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV），在ℓ⁺ℓ⁻t̄t和νν̄bb̄末态中搜索了CP奇异的Higgs玻色子（A）衰变为Z玻色子与一个重的CP偶发Higgs玻色子（H）的过程。未观测到与标准模型显著偏离的信号；在mH > 350 GeV和mA > 800 GeV区域，对A→ZH产生截面的上限限制得到改善，并对重建的m(t̄t)和m(bb̄)分布提供了模型无关的限制。

ABSTRACT

A search for a heavy CP-odd Higgs boson, A, decaying into a Z boson and a heavy CP-even Higgs boson, H, is presented. It uses the full LHC Run 2 dataset of pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{−1}$. The search for A → ZH is performed in the $ {\ell}^{+}{\ell}^{-}t\overline{t} $ and $ u \overline{ u}b\overline{b} $ final states and surpasses the reach of previous searches in different final states in the region with m$_{H}$ > 350 GeV and m$_{A}$ > 800 GeV. No significant deviation from the Standard Model expectation is found. Upper limits are placed on the production cross-section times the decay branching ratios. Limits with less model dependence are also presented as functions of the reconstructed m($ t\overline{t} $) and m($ b\overline{b} $) distributions in the $ {\ell}^{+}{\ell}^{-}t\overline{t} $ and $ u \overline{ u}b\overline{b} $ channels, respectively. In addition, the results are interpreted in the context of two-Higgs-doublet models.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 在标准模型之外的扩展Higgs结构背景下，搜索重CP奇异Higgs玻色子（A）衰变为Z玻色子与重CP偶发Higgs玻色子（H）的过程。
• 探测此前依赖H→bb̄、WW或ττ衰变的搜索无法覆盖的参数区域，即mH > 2mtop的区域。
• 通过聚焦于ℓ⁺ℓ⁻t̄t和νν̄bb̄末态，提升高本征质量区域（mA > 800 GeV，mH > 350 GeV）的探测灵敏度。
• 对重建的m(t̄t)和m(bb̄)分布提供模型无关的限制，以减少理论依赖性。
• 在二Higgs双plet模型（2HDM）框架下解释结果，特别关注mA ≠ mH及对齐极限情形。

提出的方法

• 本分析使用了LHC Run 2期间ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的140 fb⁻¹质子-质子对撞数据。
• 事件在两个末态中被选择：ℓ⁺ℓ⁻t̄t（其中一个顶夸克半轻衰变，另一个强子衰变）和νν̄bb̄（Z→νν̄，H→bb̄）。
• 利用重建的顶夸克对和底夸克对质量（m(t̄t)和m(bb̄)）作为关键运动学变量以增强灵敏度。
• 背景通过控制区域和模拟进行估计，对多喷注、Drell-Yan及顶夸克贡献进行了仔细处理。
• 系统误差评估涵盖对象重建、触发效率，以及喷注和缺失横向动量的建模。
• 使用轮廓似然比检验评估统计显著性，并在95%置信水平下设定A→ZH产生截面的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验在ℓ⁺ℓ⁻t̄t末态中对CP奇异Higgs玻色子（A）衰变为Z玻色子与重CP偶发Higgs玻色子（H）的探测灵敏度如何？
• RQ2 νν̄bb̄末态的灵敏度与以往搜索相比如何，特别是在高本征质量区域（mA > 800 GeV）？
• RQ3 能否对重建的m(t̄t)和m(bb̄)分布设定模型无关的限制，以减少理论依赖性？
• RQ4 在二Higgs双plet模型（2HDM）中，A→ZH信号强度受到何种约束，特别是在对齐极限及mA ≠ mH情形下？
• RQ5 与以往其他末态的搜索相比，本研究在mH > 350 GeV和mA > 800 GeV区域的结果如何？

主要发现

• 在ℓ⁺ℓ⁻t̄t和νν̄bb̄两个末态中均未观测到与标准模型背景有显著偏离的过量信号。
• 在95%置信水平下设定了A→ZH产生截面的上限，相较于以往搜索，在mH > 350 GeV和mA > 800 GeV区域灵敏度得到提升。
• 以重建的m(t̄t)和m(bb̄)分布为函数，给出了模型无关的上限，为整个相空间提供了稳健约束。
• 在2HDM框架下，结果约束了mA > mH的参数空间，尤其针对tanβ在1至10之间的取值。
• 本搜索在ℓ⁺ℓ⁻t̄t和νν̄bb̄通道中实现了超越以往搜索的灵敏度，特别是在高本征质量区域。
• 结果被解释于具有层级结构的2HDM及暗物质媒介子模型中，扩展了现有LHC搜索的探测范围。