[论文解读] Search for doubly charged Higgs boson production in multi-lepton final states using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2942 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ATLAS实验在13 TeV质子-质子对撞中获取的139 fb⁻¹数据，对二重带电希格斯玻色子（H±±）在同电荷轻子末态中的衰变进行了搜索。未观测到信号，因此在95%置信水平下，左-右对称型-II seesaw模型中H±±质量的最强观测下限为1080 GeV，Zee–Babu中微子质量模型中为900 GeV。

ABSTRACT

A search for pair production of doubly charged Higgs bosons ($H^{\pm \pm}$), each decaying into a pair of prompt, isolated, highly energetic leptons with the same electric charge, is presented. The search uses a proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. This analysis focuses on same-charge leptonic decays, $H^{\pm \pm} ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\prime \pm}$ where $\ell, \ell^\prime=e, \mu, au$, in two-, three-, and four-lepton channels, but only considers final states which include electrons or muons. No evidence of a signal is observed. Corresponding limits on the production cross-section and consequently a lower limit on $m(H^{\pm \pm})$ are derived at 95% confidence level. Assuming that the branching ratios to each of the possible leptonic final states are equal, $\mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm e^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm \mu^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow e^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow \mu^\pm au^\pm) = \mathcal{B}(H^{\pm \pm} ightarrow au^\pm au^\pm) = 1/6$, the observed lower limit on the mass of a doubly charged Higgs boson is 1080 GeV within the left-right symmetric type-II seesaw model, which is an improvement over previous limits. Additionally, a lower limit of $m(H^{\pm \pm})$ = 900 GeV is obtained in the context of the Zee-Babu neutrino mass model.

研究动机与目标

• 在多轻子末态中搜索成对产生并衰变为同电荷轻子对的二重带电希格斯玻色子（H±±）。
• 在左-右对称型-II seesaw模型和Zee–Babu中微子质量模型中，设定H±±质量的最严格实验极限。
• 通过H±±产生及其衰变为同电荷轻子，首次在LHC上直接检验Zee–Babu模型。
• 通过探测H±±与带电轻子的耦合，对标准模型之外的物理进行约束。

提出的方法

• 本分析使用了LHC Run 2期间ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 事件通过重建的电子和μ子进行重建，要求轻子为即时产生、孤立且具有高横向动量，且电荷相同。
• 本搜索聚焦于仅包含电子和μ子的二、三、四轻子末态，排除末态中的τ轻子。
• 通过数据驱动方法和模拟估算电荷混淆以及虚假/非即时轻子的背景。
• 对重建、选择和背景估计的系统性不确定性进行了评估，并采用完整统计拟合方法设定信号截面的上限。
• 根据质量函数推导出H±±产生截面的上限，并在假设所有六种轻子末态分支比相等（各1/6）的前提下提取质量极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在95%置信水平下，H±± →ℓ±ℓ′±衰变模式中H±±产生截面的上限是多少？
• RQ2 基于Run 2 ATLAS数据，左-右对称型-II seesaw模型中H±±质量的最严格下限是多少？
• RQ3 能否通过H±±产生及同电荷轻子衰变，在LHC上直接检验Zee–Babu中微子质量模型？
• RQ4 在具有同电荷轻子末态的不同BSM模型中，H±±质量的观测极限与预期极限如何比较？

主要发现

• 在任何二、三或四轻子同电荷末态中均未观测到显著信号。
• 在左-右对称型-II seesaw模型中，H±±质量的观测（预期）下限为1080 GeV（1065 GeV），置信水平为95%。
• 首次在LHC上直接检验Zee–Babu模型，其H±±质量的观测（预期）下限为900 GeV（880 GeV）。
• 本分析假设六种可能的同电荷轻子末态（e±e±、e±μ±、μ±μ±、e±τ±、μ±τ±、τ±τ±）的分支比相等（各1/6），与理论预期一致。
• 结果优于以往ATLAS和CMS的极限，是目前对这些模型中H±±质量最强的约束。
• 研究证实，在400–1300 GeV质量范围内，Drell–Yan产生机制占主导地位，优于其他机制（如矢量玻色子融合、胶子融合）。