[论文解读] Search for Higgs Boson Decay to a Charm Quark-Antiquark Pair in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2378 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹数据，对质子-质子碰撞中希格斯玻色子衰变为粲夸克-反粲夸克对（H → cc）的衰变过程进行了搜索。通过采用基于机器学习的强子喷注识别技术与创新的分析方法，该研究设定了迄今为止最严格的希格斯-粲夸克汤川耦合常数的上限，观测（预期）95%置信水平上限分别为|κc| < 5.5（|κc| < 3.4），对应于标准模型预测的14（7.6+3.4−2.3）倍。

ABSTRACT

A search for the standard model Higgs boson decaying to a charm quark-antiquark pair, H $ o \mathrm{c\bar{c}}$, produced in association with a leptonically decaying V (W or Z) boson is presented. The search is performed with proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Novel charm jet identification and analysis methods using machine learning techniques are employed. The analysis is validated by searching for Z $ o \mathrm{c\bar{c}}$ in VZ events, leading to its first observation at a hadron collider with a significance of 5.7 standard deviations. The observed (expected) upper limit on $\sigma$(VH)$\mathcal{B}$(H$ o \mathrm{c\bar{c}}$) is 0.94 (0.50$^{+0.22}_{-0.15}$) pb at 95% confidence level (CL), corresponding to 14 (7.6$^{+3.4}_{-2.3}$) times the standard model prediction. For the Higgs-charm Yukawa coupling modifier, $\kappa_\mathrm{c}$, the observed (expected) 95% CL interval is 1.1 $\lt\vert\kappa_\mathrm{C}\vert \lt$ 5.5 ($\vert\kappa_\mathrm{c}\vert\lt$ 3.4), the most stringent constraint to date.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）上，搜索标准模型希格斯玻色子在VH关联产生过程中衰变为粲夸克-反粲夸克对（H → cc）的衰变过程。
• 克服在密集QCD环境中识别粲夸克喷注并将其与底夸克喷注区分开来的挑战。
• 通过基于机器学习的喷注重建与识别技术，提升探测灵敏度。
• 在标准模型之外，对希格斯-粲夸克汤川耦合修正因子κc施加最严格的实验约束。

提出的方法

• 利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用两种喷注类型：小R（R = 0.4）和大R（R = 1.5）喷注，通过带电强子减法与PUPPI算法实现堆叠效应抑制。
• 应用图神经网络（PARTICLENET）技术，利用PF粒子与二级顶点信息，将大R喷注的质量分辨率提升约50%。
• 采用基于机器学习的粲夸克喷注识别方法，提升合并喷注与分辨喷注拓扑结构中的信号灵敏度。
• 分析三个互斥通道：0L（Z → νν）、1L（W → ℓν）与2L（Z → ℓℓ），事件选择基于触发与隔离标准。
• 使用NLO与NNLO QCD + NLO电弱精确的事件生成器进行信号建模，探测器响应通过GEANT4模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMS实验在13 TeV下对希格斯玻色子衰变为粲夸克（H → cc）在VH关联产生过程中的探测灵敏度如何？
• RQ2 在高多重性环境中，基于机器学习的喷注识别技术在区分粲夸克喷注与轻夸克及底夸克喷注方面的有效性如何？
• RQ3 在95%置信水平下，H → cc衰变的产生截面σ(VH)与分支比B(H → cc)乘积的观测上限是多少？
• RQ4 与标准模型预测相比，本分析对希格斯-粲夸克汤川耦合修正因子κc施加了何种约束？
• RQ5 在强子对撞机中，能否通过先进的喷注重建与识别技术观测到Z → cc衰变模式？

主要发现

• 首次在强子对撞机中观测到VZ事例中的Z → cc衰变模式，显著性达5.7个标准差。
• 在95%置信水平下，观测（预期）的σ(VH) × B(H → cc)上限分别为0.94（0.50+0.22−0.15）pb。
• 观测（预期）的95%置信水平下希格斯-粲夸克汤川耦合修正因子区间为1.1 < |κc| < 5.5（|κc| < 3.4），为迄今最严格的约束。
• 与传统抛光技术相比，采用基于PARTICLENET的回归算法，大R喷注质量分辨率提升了约50%。
• 尽管合并喷注拓扑结构仅贡献不到5%的信号截面，但由于对高boost态希格斯玻色子的重建效率更高，其提供了显著的灵敏度增益。
• 本研究在H → cc搜索中树立了新基准，预期情况下将信号强度相对于标准模型的上限降低了约7.6倍。