[论文解读] Search for Higgs boson decays into Z and J/$\psi$ and for Higgs and Z boson decays into J/$\psi$ or $\Upsilon$ pairs in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2348 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次搜索了希格斯玻色子衰变为Z玻色子与J/ψ或ψ(2S)介子的衰变过程，以及希格斯玻色子和Z玻色子衰变为底夸克对的衰变过程。未观测到显著信号，对分支分数的95%置信水平上限分别设定为1.9 × 10⁻³（H → ZJ/ψ）和6.6 × 10⁻³（H → Zψ(2S)），为标准模型之外的新物理提供了严格约束。

ABSTRACT

Decays of the Higgs boson into a Z boson and a J/$\psi$ or $\psi$(2S) meson are searched for in four-lepton final states with the CMS detector at the LHC. A data set of proton-proton collisions corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ is used. Using the same data set, decays of the Higgs and Z boson into quarkonium pairs are also searched for. An observation of such decays with this sample would indicate the presence of physics beyond the standard model. No evidence for these decays has been observed and upper limits at the 95% confidence level are placed on the corresponding branching fractions ($\mathcal{B}$). Assuming longitudinal polarization of the Higgs boson decay products, 95% confidence level observed upper limits for $\mathcal{B}$(H $ o$ J/$\psi$) and $\mathcal{B}$(H $ o$ Z$\psi$(2S)) are 1.9$ imes$10$^{-3}$ and 6.6$ imes$10$^{-3}$, respectively.

研究动机与目标

• 在四轻子末态中搜索希格斯玻色子衰变为Z玻色子与夸克偶素态（J/ψ或ψ(2S)）的稀有衰变过程。
• 研究费米子的Yukawa耦合常数增强的可能性，这可能表明存在标准模型之外的新物理。
• 为希格斯玻色子和Z玻色子衰变为夸克偶素对（J/ψJ/ψ、Υ(nS)Υ(mS)）的分支分数设定上限。
• 提高对标准模型中高度抑制的稀有希格斯衰变过程的探测灵敏度，这些过程在新物理模型中可能被增强。
• 为预测希格斯玻色子与重夸克及夸克偶素态耦合增强的理论模型提供约束。

提出的方法

• 通过μ⁺μ⁻或e⁺e⁻衰变道重建Z玻色子，通过μ⁺μ⁻衰变道重建J/ψ介子。
• 采用包含式重建方法对ψ(2S)介子进行重建，其衰变为J/ψX，其中X（主要为ππ）未被重建。
• 应用不变质量重建与运动学拟合技术，识别四轻子末态中的共振态。
• 利用控制区域和蒙特卡罗模拟技术估算背景，以建模Z + 胶子喷注和误识别介子背景。
• 采用轮廓似然法计算在95%置信水平下的观测值与预期值分支分数上限。
• 假设希格斯衰变产物为纵向极化，以提高信号区域的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子衰变为Z玻色子与J/ψ介子的分支分数是多少？其结果是否与标准模型预测一致？
• RQ2 在138 fb⁻¹的13 TeV质子-质子碰撞数据中，能否在四轻子末态中观测到H → Zψ(2S)的证据？
• RQ3 是否存在对夸克偶素态（J/ψ、Υ）的增强希格斯耦合，这可能表明存在标准模型之外的新物理？
• RQ4 希格斯玻色子和Z玻色子衰变为夸克偶素对（J/ψJ/ψ、Υ(nS)Υ(mS)）的分支分数上限是多少？
• RQ5 观测到的上限与具有增强Yukawa耦合的理论模型预测相比如何？

主要发现

• 在四轻子末态中搜索H → ZJ/ψ或H → Zψ(2S)衰变时，未观测到显著信号。
• 在假设希格斯衰变产物为纵向极化的前提下，对分支分数B(H → ZJ/ψ)的95%置信水平观测上限为1.9 × 10⁻³。
• 在相同假设下，对分支分数B(H → Zψ(2S))的95%置信水平观测上限为6.6 × 10⁻³。
• 观测到的上限远超过标准模型对这些衰变过程的预测值，超过1000倍。
• 该结果为迄今为止对这些稀有希格斯衰变的最严格约束，排除了新物理模型中大幅增强的可能性。
• 本研究更新了以往的搜索结果，并将灵敏度扩展至希格斯玻色子衰变为夸克偶素对的过程，为这些过程设定了新的限制。