[论文解读] Search for dark matter produced in association with a Higgs boson decaying to bottom quarks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2026

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一句话总结

CMS 在 13 TeV 质子-质子碰撞中寻找与希格斯玻色子衰变为底夸克的暗物质产生事件，将 2017–2018 数据与 2016 数据结合，给出对 baryonic Z' 和 2HDM+a 模型的排除限度。

ABSTRACT

A search for dark matter particles produced in association with a Higgs boson decaying to a bottom quark-antiquark pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV is presented. The data, collected with the CMS detector at the LHC, correspond to an integrated luminosity of 101 fb$^{-1}$. The analysis is performed in exclusive categories targeting both Lorentz-boosted (merged) and resolved b jet pair topologies, covering a wide range of Higgs boson transverse momentum. A statistical combination is made with a previous search using data collected in 2016 and corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$. The observed data agree with the standard model background predictions. Constraints are placed on models predicting new particles or interactions, such as those in the simplified frameworks of baryonic-Z' and 2HDM+a, where the latter is a type-II two-Higgs-doublet model featuring a heavy pseudoscalar with an additional light pseudoscalar. Upper limits at 95% confidence level are set on the production cross section for these models. For the baryonic-Z' model, Z' boson masses below 2.25 TeV are excluded for a dark matter particle candidate mass of 1 GeV. In the 2HDM+a model, heavy pseudoscalar masses between 850 and 1300 GeV are excluded for a light pseudoscalar mass of 350 GeV.

研究动机与目标

• 在 mono-Higgs 通道中利用 Higgs -> bb 的大分支比来驱动暗物质搜索，利用 Higgs -> bb 的大分支比来捕捉 DM 产生特征。
• 探索两种简化的 DM 产生模型（baryonic Z' 和 2HDM+a）以解释结果。
• 通过将事件分为 boosted（merged）和 resolved 的 Higgs 衰变，并与先前的 2016 数据结合，提升灵敏度。
• 提供基于数据驱动的背景估计策略，使用控制区域来约束主要背景。

提出的方法

• 使用 13 TeV 的 CMS 探测器数据，对应 101 fb^-1，包含先前的 35.9 fb^-1 用于综合分析。
• 对 baryonic Z' 和 2HDM+a 模型的信号进行 LO 的模拟；背景建模包括 Z(nunu)+jets、ttbar、W+jets、dibosons 以及 QCD 多重喷注样本。
• 将事件分为 merged (AK8 jet) 和 resolved (AK4 bb̄ jets) 的 Higgs 拓扑，并应用深度学习标记器（ParticleNet-MD）来识别 Higgs -> bb̄。
• 在信号区域和控制区域执行二维最大似然拟合，使用缺失的横向动量和 Higgs 候选质量（m_SD 或 m_bb̄）作为观测量。
• 将系统atic 不确定性作为干扰参数纳入，并提取信号强度修正量 ħbc 以设定 95% CL 限制。

Figure 1: Feynman diagrams for simplified benchmark models considered in this analysis: the baryonic- \PZpr model (left) and 2HDM+ \Pa model (right) [ 15 , 16 ] .

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 质子-质子碰撞中，Higgs 衰变为 bb̄ 的相关 DM 产生的限制是多少？
• RQ2 这些结果如何在该最终态下约束 baryonic Z' 和 2HDM+a 简化模型？
• RQ3 将 2017–2018 数据与 2016 数据结合是否在 Higgs pT 的不同区域（boosted vs resolved）提高了灵敏度？
• RQ4 主导背景是什么，控制区域如何在信号区域预测它们？

主要发现

• 没有观察到显著的超出 SM 背景的信号。
• 对于 baryonic Z' 模型，在 DM 质量为 1 GeV 时，Z' 质量低于 2.25 TeV 被排除。
• 对于 2HDM+a 模型，当 m_A = 350 GeV 时，重 pseudoscalar 质量在 850 到 1300 GeV 之间被排除。
• 分析使用了 merged 和 resolved 的 Higgs 拓扑，并通过 ParticleNet-MD 提升 Higgs -> bb̄ 标记，在研究中综合使用了 138 fb^-1 的数据集。
• 结果在简化的基准框架内进行解释，给出 95% 可信区间的截面上限。

Figure 2: Schematic representation of the analysis regions.