[论文解读] Search for Higgs bosons decaying to $aa$ in the $μμττ$ final state in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = $ 8 TeV with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 8 TeV下收集的20.3 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对希格斯玻色子衰变为一对轻赝标量希格斯玻色子（a）的μμττ末态中的Higgs衰变进行了搜索。未观测到显著过量；在mₐ = 3.75 GeV时，h → aa衰变相对于SM中gg → h过程的生产上限为3.5%；对于mₐ = 5 GeV且mₕ从100至500 GeV的情况，H → aa衰变截面的额外上限范围为0.72至2.33 pb。

ABSTRACT

A search for the decay to a pair of new particles of either the 125 GeV Higgs boson ($h$) or a second CP-even Higgs boson ($H$) is presented. The dataset correspods to an integrated luminosity of 20.3 fb$^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s}=$ 8 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC in 2012. The search was done in the context of the next-to-minimal supersymmetric standard model, in which the new particles are the lightest neutral pseudoscalar Higgs bosons ($a$). One of the two $a$ bosons is required to decay to two muons while the other is required to decay to two $τ$-leptons. No significant excess is observed above the expected backgrounds in the dimuon invariant mass range from 3.7 GeV to 50 GeV. Upper limits are placed on the production of $h ightarrow{aa}$ relative to the Standard Model $gg ightarrow{h}$ production, assuming no coupling of the $a$ boson to quarks. The most stringent limit is placed at 3.5\% for $m_a =$ 3.75 GeV. Upper limits are also placed on the production cross section of $H ightarrow{aa}$ from 2.33 pb to 0.72 pb, for fixed $m_a$ = 5 GeV with $m_H$ ranging from 100 GeV to 500 GeV.

研究动机与目标

• 在次最小超对称标准模型（NMSSM）框架下，搜索希格斯玻色子衰变为一对轻赝标量希格斯玻色子（a）的隐形或奇异衰变。
• 探测衰变为μ子和τ轻子的轻赝标量希格斯玻色子（a）的存在，提供对标准模型之外新物理的敏感信号。
• 在假设a玻色子不与夸克耦合的前提下，对125 GeV希格斯玻色子衰变为两个轻a玻色子的分支比设定约束。
• 对较重的CP偶宇称希格斯玻色子（H）衰变为两个a玻色子的生产截面设定上限，适用于不同希格斯玻色子质量。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS实验在2012年收集的20.3 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 8 TeV。
• 选择末态包含两个μ子和两个τ轻子的事件，通过重建μ子对的不变质量来探测a玻色子的质量区域。
• 在NMSSM框架下进行搜索，其中a玻色子为最轻的中性赝标量希格斯玻色子，一个衰变为μμ，另一个衰变为ττ。
• 通过蒙特卡罗模拟和数据驱动方法，对来自Drell-Yan、顶夸克对以及矢量玻色子融合等标准模型过程的背景进行估计。
• 信号区域通过要求μ子对的不变质量位于3.7 GeV至50 GeV之间来定义，对应于a玻色子的质量范围。
• 采用轮廓似然比检验方法设定信号产生的上限，并充分考虑了背景和信号建模中的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在μμττ末态中，125 GeV希格斯玻色子衰变为两个轻赝标量希格斯玻色子（a）的分支比上限是多少？
• RQ2 在3.7 GeV至50 GeV的μ子对质量窗口内未观测到信号，如何限制轻a玻色子在NMSSM中的参数空间？
• RQ3 当固定mₐ = 5 GeV且mₕ从100 GeV变化至500 GeV时，较重CP偶宇称希格斯玻色子（H）衰变为两个a玻色子的生产截面上限是多少？
• RQ4 当a玻色子不与夸克耦合时，μμττ末态对奇异希格斯衰变的敏感度如何？
• RQ5 相对于SM中gg → h过程，h → aa衰变的最严格生产上限是多少？该上限在何种a玻色子质量下达到？

主要发现

• 在μ子对的不变质量范围3.7 GeV至50 GeV内，未观测到超过预期标准模型背景的显著过量。
• 在mₐ = 3.75 GeV时，相对于SM中gg → h过程，h → aa衰变的最严格上限为3.5%。
• 当mₐ = 5 GeV时，H → aa衰变截面的上限范围为0.72 pb至2.33 pb，具体取决于H玻色子的质量（mₕ从100 GeV至500 GeV）。
• 上述限制是在假设a玻色子不与夸克耦合的前提下得出的，该假设简化了信号模型并增强了探测灵敏度。
• 结果在低质量a玻色子区域（特别是mₐ < 10 GeV）中优于以往的约束。
• 本分析在NMSSM框架下，对轻a玻色子在μμττ末态中的h → aa衰变设定了迄今最严格的限制。