[论文解读] Search for an exotic decay of the Higgs boson into a Z boson and a pseudoscalar particle in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2360 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 51被引用 3

一句话总结

本论文报告了大型强子对撞机（LHC）首次对胶子-胶子衰变 $H \to Za$ 的搜索，其中赝标量 $a$ 衰变为两个光子，而 $Z$ 玻色子衰变为两个轻子。利用 $\sqrt{s} = 13$ TeV 质子-质子对撞的 138 fb$^{-1}$ 数据，该分析在 $m_a$ 范围 1–30 GeV 内设定了 95% 置信水平（CL）的 $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 截面上限，观测（预期）上限为 1.1–17.8 fb（1.7–17.9 fb），并在 $m_a = 3$ GeV 处观测到局部（全局）显著性为 2.6（1.3）σ 的过量。

ABSTRACT

A search for an exotic decay of the Higgs boson to a Z boson and a light pseudoscalar particle (a), decaying to a pair of leptons and a pair of photons, respectively, is presented. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The analysis probes pseudoscalar masses $m_\mathrm{a}$ between 1 and 30 GeV, leading to two pairs of well-isolated leptons and photons. Upper limits at 95% confidence level are set on the Higgs boson production cross section times its branching fraction to two leptons and two photons. The observed (expected) limits are in the range of 1.1-17.8 (1.7-17.9) fb within the probed $m_\mathrm{a}$ interval. An excess of data above the expected standard model background with a local (global) significance of 2.6 (1.3) standard deviations is observed for a mass hypothesis of $m_\mathrm{a}$ = 3 GeV. Limits on models involving axion-like particles, formulated as an effective field theory, are also reported.

研究动机与目标

• 研究质子-质子对撞中 Higgs 粒子衰变为 Z 玻色子与轻赝标量粒子（$a$）的非寻常衰变模式，其中 $a$ 衰变为两个光子，$Z$ 玻色子衰变为两个轻子。
• 通过 $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 衰变模式，在 LHC 中探测轴子样粒子（ALPs）的存在。
• 为 $m_a$ 在 1 至 30 GeV 之间的 Higgs 粒子分支比乘以产生截面设定上限。
• 利用 $\sqrt{s} = 13$ TeV 质子-质子对撞的实验数据，检验涉及 ALPs 与 Higgs 及 $Z$ 玻色子耦合的有效场论模型。
• 提供该非寻常衰变道的首个实验约束，该衰变在标准模型中被抑制，但可能暗示新物理。

提出的方法

• 分析使用了由 CMS 探测器收集的 $\sqrt{s} = 13$ TeV 质子-质子对撞的 138 fb$^{-1}$ 数据。
• 事件选择标准为：两个良好隔离的轻子（电子或μ子）和两个光子，与 $Z \to \ell\ell$ 和 $a \to \gamma\gamma$ 衰变一致。
• 利用领先阶矩阵元生成器（MADGRAPH5 aMC@NLO）对 $H \to Za$ 进行信号建模，$m_a$ 从 1 到 30 GeV 每步递增。
• 背景主要通过数据建模，其中主要来源为 Drell–Yan $Z + \text{jets}$ 事件，其中喷注被误识为光子。
• 采用多变量分析方法，利用运动学和拓扑变量区分信号与背景。
• 分析采用轮廓似然比检验，在 95% 置信水平下设定信号截面的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 质子-质子对撞中，Higgs 粒子是否衰变为 Z 玻色子与轻赝标量粒子 $a$，且 $a \to \gamma\gamma$？
• RQ2 对于赝标量质量在 1 至 30 GeV 之间的 $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 衰变速率，其上限是多少？
• RQ3 在 $\ell\ell\gamma\gamma$ 最终态中，是否存在与 $m_a = 3$ GeV 一致的共振态或过量？
• RQ4 这些结果如何约束涉及轴子样粒子与 Higgs 及 $Z$ 玻色子耦合的有效场论模型？
• RQ5 在 $\ell\ell\gamma\gamma$ 最终态中，任何观测到的过量相对于标准模型背景的显著性如何？

主要发现

• 在 $m_a$ 为 1 至 30 GeV 的范围内，设定了 Higgs 粒子产生截面乘以分支比至 $\ell\ell\gamma\gamma$ 的 95% 置信水平上限，观测值为 1.1–17.8 fb，预期值为 1.7–17.9 fb。
• 在 $m_a = 3$ GeV 假设下，观测到数据高于预期的标准模型背景，局部显著性为 2.6σ，全局显著性为 1.3σ。
• 观测到的显著性对应于 2.6σ 的局部显著性，表明可能存在信号样涨落，但在进行多重检验校正后并不具有统计显著性。
• 该分析首次在 LHC 上设定了 $H \to Za \to \ell\ell\gamma\gamma$ 衰变模式的实验限制，为探测轴子样粒子提供了新通道。
• 结果对涉及 ALPs 的有效场论模型提供了约束，尤其在低质量区域（$m_a < 30$ GeV）。
• 信号选择效率在不同 $m_a$ 值下表现稳健，当归一化至全部 Higgs 产生时，不同产生模式之间的差异可忽略（<1%）。