[论文解读] Search for Nonresonant Pair Production of Highly Energetic Higgs Bosons Decaying to Bottom Quarks

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2396 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本研究利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验在13 TeV质子-质子碰撞中获取的138 fb⁻¹数据，搜索了通过胶子和向量玻色子融合产生的非共振Higgs玻色子对衰变至四底夸克末态的信号。采用图神经网络（GNN）进行强子喷注的重建，将VVHH四费米子耦合常数κ²V为零（即无VVHH四费米子耦合）的非标准模型情形在6.3个标准差的显著性水平下被排除，这是首次直接排除该非标准模型耦合场景。

ABSTRACT

A search for nonresonant Higgs boson (H) pair production via gluon and vector boson (V) fusion is performed in the four-bottom-quark final state, using proton-proton collision data at 13 TeV corresponding to 138 fb$^{-1}$ collected by the CMS experiment at the LHC. The analysis targets Lorentz-boosted H pairs identified using a graph neural network. It constrains the strengths relative to the standard model of the H self-coupling and the quartic VVHH couplings, $\kappa_{2V}$, excluding $\kappa_{2V}$ = 0 for the first time, with a significance of 6.3 standard deviations when other H couplings are fixed to their standard model values.

研究动机与目标

• 研究通过胶子融合（ggF）和向量玻色子融合（VBF）机制在四底夸克末态中非共振Higgs玻色子对的产生。
• 约束四费米子VVHH耦合强度（κ²V）相对于标准模型的大小。
• 检验Higgs自耦合和VVHH耦合被修改的模型，特别是具有TeV尺度伪戈戈斯通Higgs玻色子的模型。
• 通过先进的喷注重建技术，提升在高度增强喷注区域的信号灵敏度。

提出的方法

• 利用LHC上CMS实验在13 TeV质子-质子碰撞中获取的138 fb⁻¹数据。
• 应用图神经网络（ParticleNet）识别来自增强H → bb衰变的大径向喷注，从而在不依赖质量重建的情况下提升信号纯度。
• 将事件分为两类，分别针对胶子融合（ggF）或向量玻色子融合（VBF）产生机制，其中VBF要求存在两个前向小径向喷注。
• 采用专门的数据驱动方法估算主要背景：QCD多喷注和顶夸克对（tt̄）产生。
• 使用具有NLO/NNLO精度的模拟样本对信号和背景进行建模，包括非标准模型耦合的修正因子（κλ, κV, κ²V）。
• 应用堆叠抑制技术、喷注能量校准和缺失横向动量重建方法，以提高事件分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下，能否在bbbb末态中观测到通过ggF和VBF机制产生的非共振Higgs玻色子对？
• RQ2 CMS实验对VVHH四费米子耦合（κ²V）偏离标准模型的敏感度如何？
• RQ3 图神经网络在高多重喷注环境中识别增强H → bb衰变的效率如何？
• RQ4 VBF通道是否可用于探测VVHH耦合为零的模型，如具有伪戈戈斯通Higgs玻色子的模型？
• RQ5 在非共振HH产生背景下，排除κ²V = 0的显著性意义是什么？

主要发现

• 当所有其他Higgs耦合固定为标准模型值时，该分析在6.3个标准差的显著性水平下排除了VVHH四费米子耦合常数κ²V = 0的情形。
• 该研究首次实现了对κ²V = 0的直接排除，这是TeV尺度下具有伪戈戈斯通Higgs玻色子的理论模型中的一个关键预测。
• 图神经网络（ParticleNet）显著提升了在增强区域的信号纯度，且无需依赖质量重建。
• 对于κ²V = 0的观测显著性超过5σ阈值，表明该排除达到发现水平。
• 所有其他耦合修正因子的测试结果与标准模型一致，在信号区域未发现超出标准模型的新物理证据。
• 该分析通过覆盖与以往非增强bbbb搜索显著不同的相空间，补充了现有研究，从而增强了对非共振HH产生整体的灵敏度。