[论文解读] Search for a new resonance decaying into two spin-0 bosons in a final state with two photons and two bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2338 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用 2

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV下获取的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索一种新的自旋-0共振态X衰变为两个自旋-0玻色子（即两个希格斯玻色子HH，或一个希格斯玻色子与一个新标量Y）的衰变模式。分析聚焦于γγbb末态，采用机器学习与二维似然拟合方法，对X的产生截面乘以分支比设定95%置信水平上限，观测到的上限范围在0.90至0.04 fb之间，并在X为650 GeV、Y为90 GeV时观测到3.8σ的局部显著性。

ABSTRACT

A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260-1000 GeV and 300-1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90-800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90-0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索新自旋-0共振态X衰变为两个自旋-0玻色子（HH或HY）的衰变模式。
• 检验如翘曲额外维度和NMSSM等新物理模型，这些模型预测了此类共振态的存在。
• 利用138 fb⁻¹积分亮度数据，对γγbb末态中X的产生截面与分支比设定约束。
• 研究在X = 650 GeV和Y = 90 GeV时，是否存在具有3.8σ局部显著性的共振信号。

提出的方法

• 通过γγ和bb末态中的不变质量峰重建希格斯玻色子，结合深度学习与喷流子结构技术进行光子和b夸克喷流的识别。
• 应用机器学习算法抑制γγbb末态中的主导QCD与电弱背景。
• 在(mγγ, mjj)平面上执行二维最大似然拟合，以提取信号事例数并设定上限。
• 使用POWHEG+PYTHIA8和SHERPA生成的模拟信号与背景样本，包含NLO QCD与部分子喷射匹配。
• 采用数据驱动技术与专用校准工具，对喷流能量标度、堆堆积效应和b标记效率进行修正。
• 对探测器效应、亮度和理论输入引起的系统不确定性进行建模，并在极限设定过程中完整传播这些不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下，新自旋-0共振态X衰变为HH或HY的γγbb末态时，其产生截面乘以分支比的95%置信水平上限是多少？
• RQ2 在γγbb末态中是否存在与X → HH或X → HY衰变一致的共振信号证据？
• RQ3 观测到的限制如何约束翘曲额外维度与NMSSM等模型？
• RQ4 在(mγγ, mjj)平面上，任何观测到的偏离纯背景假设的偏差具有多大的局部显著性？
• RQ5 喷流能量标度、堆堆积和b标记效率带来的系统不确定性如何影响最终的限制结果？

主要发现

• 自旋-0 X共振态在不同X与Y质量下，其产生截面乘以分支比的95%置信水平上限范围为0.90 fb至0.04 fb。
• 在X为650 GeV、Y为90 GeV时观测到最大的局部显著性3.8σ，但全局显著性低于2.8σ。
• 在考虑“查找其他区域效应”后未观测到显著过量，所有观测偏差均与背景涨落一致。
• 在翘曲额外维度与NMSSM框架下对限制结果进行解释，为基本标度Mpl与引力子质量标度等模型参数提供了约束。
• 本分析在X质量为260–1000 GeV、Y质量为90–800 GeV范围内，对X → HH与X → HY衰变设定了迄今最严格的限制。
• 通过专用控制区域与数据驱动背景估计验证了信号模型，系统不确定性在关键区域均控制在10%以内。