[论文解读] Search for Higgs Boson and Observation of Z Boson through their Decay into a Charm Quark-Antiquark Pair in Boosted Topologies in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次在 √s = 13 TeV 下对标准模型 Higgs 玻色子衰变为粲夸克-反粲夸克对（H → cc）的增强拓扑结构进行了搜索，使用了 CMS 实验采集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。该分析采用基于深度神经网络的粲夸克判别技术与质量解耦合的判别器，以识别大半径喷注中的高 pT Higgs 玻色子，最终在 95% 置信水平下对 σ(H)B(H→cc) 设定上限为标准模型预测值的 47 倍，同时首次观测到 Z → cc 衰变过程，其信号强度为 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴（系统）± 0.08（理论）± 0.06（统计）。

ABSTRACT

A search for the standard model (SM) Higgs boson (H) produced with transverse momentum greater than 450 GeV and decaying to a charm quark-antiquark ($\mathrm{c\bar{c}}$) pair is presented. The search is performed using proton-proton collision data collected at $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Boosted H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay products are reconstructed as a single large-radius jet and identified using a deep neural network charm tagging technique. The method is validated by measuring the Z $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$ decay process, which is observed in association with jets at high $p_\mathrm{T}$ for the first time with a signal strength of 1.00 $_{-0.14}^{+0.17}$ (syst) $\pm$ 0.08 (theo) $\pm$ 0.06 (stat), defined as the ratio of the observed process rate to the standard model expectation. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(H) $\mathcal{B}$(H $ o$$\mathrm{c\bar{c}}$) is set at 47 (39) times the SM prediction at 95% confidence level.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 下，对标准模型 Higgs 玻色子衰变为粲夸克-反粲夸克对的增强拓扑结构进行搜索。
• 开发并应用一种基于质量解耦合的深度神经网络粲夸克判别技术，以识别大半径喷注中的 H → cc 衰变。
• 通过首次观测高 pT 喷注中 Z → cc 衰变过程，验证分析方法的可靠性。
• 在 95% 置信水平下，对胶子-胶子融合产生模式中 Higgs 玻色子对粲夸克的分支分数设定上限。

提出的方法

• 分析使用了 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下采集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 通过喷注子结构观测量，对高 pT 大半径喷注进行重建与识别，将其作为潜在的 H → cc 衰变产物。
• 训练一种深度神经网络（DNN）判别器，以区分粲夸克喷注与轻夸克及底夸克喷注，并通过质量解耦合提升信号与背景的分离能力。
• 通过测量高 pT 事件中 Z → cc 衰变速率对方法进行验证，观测到的信号强度为 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴（系统）± 0.08（理论）± 0.06（统计）。
• 对多个信号区和控制区进行联合拟合，以提取信号截面，对 H → cc、Z → cc、QCD 多喷注及其他背景的喷注质量分布进行建模。
• 使用蒙特卡洛模拟对信号与背景进行建模，并对高阶 QCD 和电弱效应进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在 13 TeV 下的增强拓扑结构中观测到 Higgs 玻色子衰变为粲夸克-反粲夸克对？
• RQ2 基于深度神经网络的粲夸克判别技术对高 pT 大半径喷注中 H → cc 衰变的灵敏度如何？
• RQ3 是否可首次在高 pT 喷注中观测到 Z → cc 衰变过程，从而验证分析技术的可靠性？
• RQ4 在 95% 置信水平下，胶子-胶子融合产生模式中 Higgs 玻色子对粲夸克的分支分数上限是多少？

主要发现

• 首次在高横向动量下观测到与喷注关联的 Z → cc 衰变过程，其信号强度为 1.00⁺⁰.¹⁷₋₀.¹⁴（系统）± 0.08（理论）± 0.06（统计）。
• 观测到的 σ(H)B(H → cc) 上限为标准模型预测值的 47 倍（95% 置信水平）。
• 预期的 σ(H)B(H → cc) 上限为标准模型预测值的 39 倍（95% 置信水平）。
• 基于深度神经网络的粲夸克判别技术成功地将 H → cc 信号与主要的 QCD 多喷注背景分离。
• 该分析证明了使用质量解耦合判别器可有效提升增强 Higgs 搜索中的信号灵敏度。
• 结果为胶子-胶子融合产生模式中 Higgs 玻色子对第二代费米子（尤其是粲夸克）的耦合提供了新的约束。