[论文解读] Search for Exotic Higgs Boson Decays $H→AA→4γ$ with Events Containing Two Merged Diphotons in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

F. Canelli, B. Kilminster+2377 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用 2

一句话总结

本研究首次直接搜索了奇异Higgs玻色子衰变 H → AA → 4γ，其中低质量、自旋为0的粒子A衰变为两个光子，这些光子因高洛伦兹提升而发生合并，被重建为单个光子样对象。利用CMS实验在13 TeV质子-质子碰撞中获取的136 fb⁻¹数据，未观测到显著过量，因此在95%置信水平下，对A质量在0.1至1.2 GeV之间的分支分数设定了(0.9–3.3)×10⁻³的上限。

ABSTRACT

The first direct search for exotic Higgs boson decays H $ o$$\mathcal{A}\mathcal{A}$, $\mathcal{A}$$ o$$\gamma\gamma$ in events with two photon-like objects is presented. The hypothetical particle $\mathcal{A}$ is a low-mass spin-0 particle decaying promptly to a merged diphoton reconstructed as a single photon-like object. Data collected by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 136 fb$^{-1}$ are analyzed. No excess above the estimated background is found. Upper limits on the branching fraction $\mathcal{B}$(H $ o$$\mathcal{A}\mathcal{A}$$ o$ 4$\gamma$) of (0.9-3.3) $ imes$ 10$^{-3}$ are set at 95% confidence level for masses of $\mathcal{A}$ in the range 0.1-1.2 GeV.

研究动机与目标

• 搜索Higgs玻色子衰变为两个低质量自旋-0粒子A的奇异衰变，每个A粒子衰变为一对光子。
• 探测A → γγ衰变产生的光子合并为单个光子样对象的信号，这是由于高洛伦兹提升所致。
• 通过直接测量合并二光子候选者的不变质量，克服标准模型H → γγ背景远超信号的挑战。
• 应用一种基于深度学习的端到端重建技术，从ECAL能量沉积中提取二光子不变质量mΓ。

提出的方法

• 利用在完整ECAL能量沉积上训练的深度学习算法，重建合并二光子候选者的不变质量mΓ。
• 将该重建技术应用于包含两个光子样对象的事件，假设每个对象对应一个合并的A → γγ衰变。
• 采用与标准模型H → γγ分析相似的运动学和选择标准，但放宽了光子标记要求，以适应高Boost下的A衰变。
• 分析了CMS探测器在2016至2018年期间收集的136 fb⁻¹的13 TeV质子-质子碰撞数据。
• 将标准模型背景建模为非共振QCD二胶球、γ+胶球、本征二光子以及H → γγ过程。
• 使用轮廓似然比检验在95%置信水平下设定了B(H → AA → 4γ)的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 当A → γγ衰变产生因高洛伦兹提升而合并的光子时，能否探测到奇异Higgs衰变H → AA → 4γ？
• RQ2 能否通过ECAL沉积上的深度学习准确重建合并二光子候选者的不变质量mΓ，从而实现信号提取？
• RQ3 在A质量介于0.1至1.2 GeV之间时，B(H → AA → 4γ)的上限是多少？
• RQ4 与标准二光子分析相比，光子合并导致的信号抑制如何影响该搜索的灵敏度？
• RQ5 该新型端到端mΓ重建技术在高Boost、低质量末态中能在多大程度上提升灵敏度？

主要发现

• 在mΓ分布中未观测到超过预期标准模型背景的显著过量。
• 在95%置信水平下设定了B(H → AA → 4γ)的上限，范围为(0.9–3.3)×10⁻³，对应A质量在0.1至1.2 GeV之间。
• 在mA ≈ 0.3 GeV时，上限最为严格，达到0.9×10⁻³。
• 该搜索对光子在ECAL的Molière半径内高度准直的A质量区间敏感，使它们能够被重建为单个对象。
• 基于深度学习的mΓ重建技术成功解析了合并二光子的不变质量，从而实现了对信号的直接探测。
• 在放宽假设（如A质量变化或非简并A → γγ衰变）下，结果依然稳健，如敏感度扫描估计所示。