[论文解读] Search for nonresonant Higgs boson pair production in the four leptons plus two b jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

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 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 衰变道，利用 138 fb⁻¹ 的积分亮度。分析在 95% 置信水平下设定信号强度修正因子 μ 的上限为 32.4，并在 95% 置信水平下约束 Higgs 三线耦合修正因子 κλ 为 −8.8 < κλ < 13.4（观测结果），为标准模型之外的新物理提供了关键约束。

ABSTRACT

The first search for nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) with one H decaying into four leptons and the other into a pair of b quarks is presented, using proton-proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. A 95% confidence level upper limit of 32.4 is set on the signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed HH production rate in the HH $ o$ ZZ*b$\mathrm{\bar{b}}$ $ o$ 4$\ell$b$\mathrm{\bar{b}}$ decay channel to the standard model expectation. Possible modifications of the H trilinear coupling $\lambda_ ext{HHH}$ with respect to the standard model (SM) value are investigated. The coupling modifier $\kappa_{\lambda}$, defined as $\lambda_ ext{HHH}$ divided by its SM prediction, is constrained to be within the observed (expected) range -8.8 (-9.8) $&lt;$ $\kappa_{\lambda}$ $&lt;$ 13.4 (15.0) at 95% confidence level.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 下，针对 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 衰变道，搜索非共振 Higgs 玻色子对产生。
• 利用实验数据，约束 Higgs 三线自耦合 λHHH 偏离标准模型预测的偏差。
• 通过探测 Higgs 对产生的运动学性质，提高对标准模型之外新物理的敏感度。
• 通过四轻子与两个 b 价夸克喷流末态中的多变量分析，获得对信号强度修正因子 μ 和耦合修正因子 κλ 的改进限制。

提出的方法

• 分析使用了 CMS 实验在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 事件根据存在四个孤立轻子（e, μ）和两个 b 价标记喷流进行选择，与 H → ZZ* → 4ℓ 和 H → bb 衰变一致。
• 采用基于提升决策树的多变量分析方法，利用运动学和拓扑变量区分信号与背景。
• 信号和背景过程在 QCD 的 NLO 水平下使用 POWHEG 和 MINLO 生成器进行模拟，包含部分子分布函数和 αS 不确定性。
• 信号强度修正因子 μ 定义为观测到的 HH 产生率与标准模型预测的比值，而 κλ 用于参数化 Higgs 三线耦合的偏差。
• 仔细评估并纳入了来自探测器效应、喷流能量标度和轻子重建的系统性不确定性的统计模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 下，4ℓ + 2 个 b 价夸克喷流末态中非共振 Higgs 玻色子对产生的信号强度修正因子 μ 的上限是多少？
• RQ2 Higgs 三线自耦合 λHHH 偏离标准模型值的偏差如何影响该末态中的观测产生率？
• RQ3 基于该末态，在 95% 置信水平下可对耦合修正因子 κλ = λHHH / λSM 施加何种约束？
• RQ4 4ℓ + 2 个 b 价夸克喷流道的引入如何提高对非共振 HH 产生的敏感度，相较于其他衰变道？

主要发现

• 在 95% 置信水平下，对信号强度修正因子 μ 设定的上限为 32.4，对应于 HH 产生率相对于标准模型预测的观测值。
• 基于观测数据，在 95% 置信水平下，耦合修正因子 κλ 被约束在 −8.8 < κλ < 13.4 的范围内，预期限制为 −9.8 < κλ < 15.0。
• 在 4ℓ + 2 个 b 价夸克喷流末态中，信号与背景的比例约为 1:100，得益于 4ℓ 衰变道的高纯度。
• 满足 4ℓ 选择条件的事件触发效率高于 98%，确保了高重建效率。
• 在分支比抑制之后，SM 对 HH → ZZ*bb → 4ℓbb 截面的预测约为 4.5 ab。
• 通过结合 4ℓ 通道的高信号纯度与 bb 衰变道的较大分支比，本分析提高了对非共振 Higgs 对产生的敏感度。