[论文解读] Search for invisible Higgs boson production with the CMS detector at the LHC

Matthew Chasco|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本论文利用CMS探测器收集的√s = 7 TeV和8 TeV质子-质子碰撞数据（分别对应5.1 fb⁻¹和19.6 fb⁻¹），对隐形Higgs玻色子衰变进行了直接搜索。分析聚焦于ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 隐形Higgs末态，以缺失横向能量和两个轻子作为信号特征，对125 GeV Higgs玻色子的隐形分支比设定了95%置信水平上限75%，预期上限为91%。

ABSTRACT

Results are presented for the search for invisible Higgs boson production using the full LHC dataset corresponding to integrated luminosity of 5.1 fb^-1 and 19.6 fb^-1 of proton-proton collision data at sqrt(s)= 7 TeV and 8 TeV (respectively) collected by the CMS detector. The invisible Higgs is searched for in final states of missing transverse energy, with two leptons from a recoiling Z boson. No significant excess is found beyond standard model predictions, and limits are obtained on the branching fraction of the Higgs boson to invisible particles.

研究动机与目标

• 利用完整的7和8 TeV数据集，直接探测LHC中Higgs玻色子的隐形衰变。
• 检验Higgs玻色子可能衰变为不可探测粒子（如暗物质或引力标量模式）的假设，从而揭示标准模型之外的新物理。
• 利用ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + H(隐形)信号，对Higgs玻色子衰变为隐形粒子的分支比设定模型无关的限制。
• 通过在横向质量变量m_T上采用形状分析，提高对信号与主要ZZ背景的区分能力。
• 对105–145 GeV范围内的Higgs质量，约束其隐形分支比。

提出的方法

• 分析目标为ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 隐形Higgs末态，其中Z玻色子衰变为两个带电轻子，Higgs玻色子则发生隐形衰变，产生缺失横向能量。
• 事件选择基于两个孤立轻子（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻或eμ）和显著的缺失横向能量，附加要求以抑制QCD和顶夸克背景。
• 使用横向质量m_T作为区分变量，其定义为m_T² = (E_T,ℓℓ + E_T,miss)² - |p_T,ℓℓ + p_T,miss|²，以利用ZH与ZZ末态之间的运动学差异。
• 背景通过POWHEG、MadGraph和PYTHIA的蒙特卡罗模拟建模，并利用正交区域中的控制样本通过数据驱动方法进行验证。
• 系统误差通过对数正态先验传播，关键来源包括PDF、QCD标度变化、亮度和轻子重建效率。
• 采用带有轮廓似然检验统计量的修改型频派CL_S方法，在95%置信水平下设定隐形分支比的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型产生率假设下，Higgs玻色子衰变为隐形粒子的分支比上限是多少？
• RQ2 能否在7和8 TeV LHC数据中，通过ZH → ℓ⁺ℓ⁻ + 隐形末态观测到隐形Higgs衰变的直接信号？
• RQ3 横向质量m_T变量在区分ZH信号与主要ZZ背景方面有多高效？
• RQ4 在105至145 GeV的Higgs质量范围内，对隐形Higgs衰变有何约束？
• RQ5 系统误差（尤其是PDF和QCD标度变化）如何影响对隐形分支比的最终上限？

主要发现

• 数据中未观测到显著超出标准模型预期的过量，观测产额与仅含背景的预测一致。
• 对于质量为125 GeV的Higgs玻色子，观测到的95%置信水平上限为75%，预期上限为91%。
• 随着Higgs质量增加，隐形分支比的上限也上升，在145 GeV时达到85%（观测）和105%（预期）。
• 横向质量m_T在所有运动学变量中提供最佳灵敏度，对每个Higgs质量点均给出最低的预期上限。
• 系统误差主要由理论来源主导，特别是W±Z和ZZ过程中的QCD标度变化，以及PDF不确定性。
• 使用正交ee、μμ和eμ样本的控制样本方法得到比例因子α_μμ ≈ 0.6和α_ee ≈ 0.4，并分配25%的不确定性以考虑b夸克打靶效应。