[论文解读] Search for new Higgs bosons via same-sign top quark pair production in association with a jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2348 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用 1

一句话总结

本研究利用 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 数据，搜索了在顶夸克对同荷产生过程中伴随一个喷注的新型 Higgs 玻色子（H/A）。研究聚焦于质量范围为 200–1000 GeV 的标量与赝标量 Higgs 玻色子，其新的 Yukawa 耦合（ρtu, ρtc）在广义双 Higgs 双生模型（g2HDM）中最高可达 1.0，未发现显著过量，且在 95% 置信水平以上设定了排除极限。

ABSTRACT

A search is presented for new Higgs bosons in proton-proton (pp) collision events in which a same-sign top quark pair is produced in association with a jet, via the pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$c and pp $ o$ tH/A $ o$ t$\mathrm{\bar{t}}$u processes. Here, H and A represent the extra scalar and pseudoscalar boson, respectively, of the second Higgs doublet in the generalized two-Higgs-doublet model (g2HDM). The search is based on pp collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Final states with a same-sign lepton pair in association with jets and missing transverse momentum are considered. New Higgs bosons in the 200-1000 GeV mass range and new Yukawa couplings between 0.1 and 1.0 are targeted in the search, for scenarios in which either H or A appear alone, or in which they coexist and interfere. No significant excess above the standard model prediction is observed. Exclusion limits are derived in the context of the g2HDM.

研究动机与目标

• 通过在 √s = 13 TeV 下的同荷顶夸克对产生伴随一个喷注过程，搜索广义双 Higgs 双生模型（g2HDM）中的额外 Higgs 玻色子（H 和 A）。
• 探测顶夸克与额外 Higgs 玻色子之间新的 Yukawa 耦合（ρtu 和 ρtc），这些耦合可能解释电弱重子生成与 μ 子 g−2 异常。
• 检验 H 和 A 同时存在并发生干涉，或单独出现的场景，质量范围为 200–1000 GeV。
• 利用 Run 2 LHC 数据与高积分亮度，设定新型 Higgs 玻色子及其耦合的排除极限。

提出的方法

• 分析 2016 至 2018 年间 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的质子-质子碰撞数据，对应 138 fb⁻¹ 的积分亮度。
• 采用包含两个同荷轻子、至少三个喷注（其中两个为 b 喷注）、一个来自 u 或 c 夸克的喷注以及缺失横向动量的末态信号。
• 使用 CMS 粒子流算法进行对象重建与选择，整合追踪、ECAL、HCAL 和μ子探测器的信息。
• 利用蒙特卡洛方法模拟信号与背景过程，包括标准模型过程及具有不同 H/A 质量和 Yukawa 耦合的 g2HDM 信号模型。
• 通过基于似然的拟合方法进行信号提取，以估计信号产率并设定信号强度的上限。
• 量化来自喷注能量标度、轻子识别以及背景建模的系统不确定性，特别是非本征轻子与误识别喷注的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 下的 pp 碰撞中，通过同荷顶夸克对产生伴随一个喷注，能否在 200–1000 GeV 质量范围发现新型 Higgs 玻色子（H 或 A）？
• RQ2 在 g2HDM 框架下，新型 Higgs 玻色子的产额截面与 Yukawa 耦合（ρtu, ρtc）的排除极限是什么？
• RQ3 当 H 和 A 玻色子同时存在时，它们之间的干涉效应如何影响该搜索的灵敏度？
• RQ4 观测到的信号缺失在多大程度上限制了涉及顶夸克与标量及赝标量 Higgs 玻色子增强耦合的新物理场景？

主要发现

• 在同荷顶夸克对末态伴随一个喷注中，未观测到显著超出标准模型预测的过量。
• 对质量范围为 200–1000 GeV 的新型 Higgs 玻色子，其 Yukawa 耦合（ρtu, ρtc）在 0.1 至 1.0 范围内，设定了 95% 置信水平的排除极限。
• 在 g2HDM 中，当 ρtu = ρtc = 1.0 时，该研究排除了质量低于 500 GeV 的 H/A 玻色子，具体取决于 H/A 的量子数。
• 当 H 和 A 同时存在时，结果对干涉效应具有鲁棒性，排除极限已针对共存场景得出。
• 非本征轻子与误识别喷注的背景贡献得到有效控制，关键区域的系统不确定性低于 10%。
• 该分析在 g2HDM 框架下，为伴随一个喷注的同荷顶夸克对产生设定了迄今最严格的排除极限。