[论文解读] Search for nonresonant Higgs boson pair production in final state with two bottom quarks and two tau leptons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2389 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本研究在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中搜索非共振Higgs玻色子对产生，聚焦于包含两个底夸克和两个τ轻子的末态，使用了138 fb⁻¹的CMS数据。通过采用先进的机器学习技术，包括DEEPTAU和DEEPJET算法，该分析对异常Higgs耦合设定了严格限制，将Higgs自耦合约束在95%置信水平下为标准模型预测值的−1.7至8.7倍。

ABSTRACT

A search for the nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two tau leptons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ =13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events in which at least one tau lepton decays hadronically are considered and multiple machine learning techniques are used to identify and extract the signal. The data are found to be consistent, within uncertainties, with the standard model (SM) predictions. Upper limits on the HH production cross section are set to constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level corresponds to 3.3 (5.2) times the SM prediction for the inclusive HH cross section and to 124 (154) times the SM prediction for the vector boson fusion \HH cross section. At 95% confidence level, the Higgs field self-coupling is constrained to be within -1.7 and 8.7 times the SM expectation, and the coupling of two Higgs bosons to two vector bosons is constrained to be within -0.4 and 2.6 times the SM expectation.

研究动机与目标

• 探究在 √s = 13 TeV 的pp碰撞中，通过胶子-胶子融合和矢量玻色子融合（VBF）机制产生的非共振Higgs玻色子对（HH）的产生。
• 通过约束异常耦合来检验标准模型对Higgs自耦合的预测。
• 通过bbττ末态提高对HH产生的灵敏度，该末态在mH = 125 GeV时的分支比为7.3%。
• 利用先进的机器学习模型和改进的重建算法（DEEPTAU、DEEPJET）以增强信号识别并抑制背景。
• 为标准模型之外的新物理参数空间设定HH产生截面的上限。

提出的方法

• 利用2016–2018年期间CMS探测器在 √s = 13 TeV 下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用多种机器学习技术，包括DEEPTAU和DEEPJET，以识别来自H → bb衰变的强子衰变τ轻子和b夸克喷注。
• 分析包含两个底夸克和两个τ轻子的末态，涵盖τµτh、τeτh和τhτh衰变模式，覆盖87.6%的ττ衰变。
• 采用事件分类和多变量分析与矩阵元方法结合的信号提取技术，以区分信号与背景。
• 通过控制区域和模拟进行背景估计，主要背景为QCD多喷注和半轻道中的tt¯。
• 使用下一下一阶（NNLO）精度计算进行标准模型截面预测，并在95%置信水平下设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 13 TeV 下，bbττ末态中非共振Higgs玻色子对产生截面的上限是多少？
• RQ2 异常Higgs玻色子耦合如何影响bbττ通道中HH产生率和运动学分布？
• RQ3 机器学习技术在复杂末态中对稀有HH产生的灵敏度提升程度如何？
• RQ4 对Higgs自耦合与VVHH耦合的约束与标准模型预测相比如何？
• RQ5 考虑到其独特的拓扑结构，VBF HH产生模式在bbττ末态中的灵敏度如何？

主要发现

• 数据与标准模型预测一致，在bbττ末态中未观测到显著过量。
• 在95%置信水平下，观测到（预期）的总HH产生截面上限分别为标准模型预测值的3.3（5.2）倍。
• 对于矢量玻色子融合（VBF）通道，在95%置信水平下，观测到（预期）的上限分别为标准模型预测值的124（154）倍。
• 在95%置信水平下，Higgs场自耦合被约束在标准模型期望值的−1.7至8.7倍之间。
• 在95%置信水平下，两个Higgs玻色子与两个矢量玻色子的耦合被约束在标准模型期望值的−0.4至2.6倍之间。
• 由于数据样本更大、触发策略更优，以及采用了先进的多变量机器学习技术，该分析相比以往结果实现了更高的灵敏度。