[论文解读] Search for heavy resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a Higgs boson in final states with leptons and $b$-jets in $139~$fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~$TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.+2922 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV质子-质子碰撞的139 fb⁻¹数据中，搜索了衰变为Z或W玻色子与希格斯玻色子的重共振态。未观测到显著过量；在95%置信水平下，生产截面上限范围为0.3 fb至1.3 pb，排除了基准模型中低于3.2 TeV的Z′和W′玻色子，并对重矢量三重态模型和两希格斯双重态模型中的参数进行了约束。

ABSTRACT

This article presents a search for new resonances decaying into a $Z$ or $W$ boson and a 125 GeV Higgs boson $h$, and it targets the $ν\barνb\bar{b}$, $\ell^+\ell^-b\bar{b}$, or $\ell^{\pm}νb\bar{b}$ final states, where $\ell=e$ or $μ$, in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions of $Zh$ or $Wh$ candidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，搜索衰变为Z或W玻色子与125 GeV希格斯玻色子的新型重共振态。
• 检验解决层次问题和扩展标量场的模型，如重矢量三重态模型和两希格斯双重态模型。
• 通过改进的重建与分析技术，提升对高质质量共振态的探测灵敏度。
• 利用更大数据集及改进的b夸克判别与运动学选择，设定新物理参数的排除极限。

提出的方法

• 通过轻子衰变（ℓ⁺ℓ⁻、ℓ±ν、νν）重建Z和W玻色子候选事例，并根据横动量不同，通过b夸克喷流或大半径喷流重建希格斯玻色子候选事例。
• 使用与通道相关的代理变量表示共振态质量，将重建的Z/W与希格斯玻色子候选事例组合为Z′/W′或A共振态假设。
• 在信号区域和背景主导的控制区域应用优化的选择标准，利用运动学和事件级变量，包括ννbb通道中的Eₜₘᵢₛₛ显著性。
• 对数据进行分箱的最大似然拟合以解释观测到的分布，背景归一化参数由拟合结果提取。
• 采用可变半径轨迹喷流的改进b夸克判别技术，提升高质质量区间的信号接受度。
• 将截面极限转换为对模型参数（如耦合尺度gF、gH，tanβ，cos(β−α)）的约束，适用于基准模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在220 GeV至5 TeV的质量范围内，Z′ → Zh和W′ → Wh共振态的生产截面乘以分支比的上限是多少？
• RQ2 改进的b夸克判别与喷流重建技术如何提升ννbb、ℓ±νbb和ℓ⁺ℓ⁻bb末态中对高质质量共振态的探测灵敏度？
• RQ3 在共振态质量为2、3和4 TeV时，Z′和W′玻色子的耦合强度参数gF和gH的约束结果如何？
• RQ4 在A → Zh衰变通道中，CP奇标量玻色子A的排除极限是什么？这些极限如何约束2HDM情景下的tanβ和cos(β−α)？
• RQ5 与以往ATLAS和CMS的搜索相比，本研究在灵敏度和质量覆盖范围方面有何改进？

主要发现

• 在ννbb、ℓ±νbb或ℓ⁺ℓ⁻bb末态中均未观测到显著过量，与标准模型预期一致。
• 在95%置信水平下，Z′ → Zh生产截面的上限范围为300 GeV处0.9 pb至5 TeV处0.3 fb。
• 对于gV = 1的HVT基准模型A，Z′质量低于2.8 TeV被排除；对于gV = 3的模型B，Z′质量低于3.2 TeV被排除。
• 在95%置信水平下，W′ → Wh生产截面的上限范围为400 GeV处1.3 pb至5 TeV处0.4 fb，排除了模型A（gV = 1）中低于2.95 TeV的W′质量，以及模型B（gV = 3）中低于3.3 TeV的W′质量。
• 对于CP奇标量A → Zh，gggA和bbA生产截面的95%置信水平上限范围为220 GeV至2 TeV的0.6 pb至3 fb，约束了Type-I、Type-II、轻子特异性及翻转型2HDM中的tanβ和cos(β−α)。
• 与以往ATLAS结果相比，灵敏度提升范围为220 GeV处的50%至5 TeV处的400%，主要得益于b夸克判别性能的增强和数据量的扩大。