[论文解读] Search for pair production of Higgs bosons in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state using proton--proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的3.2 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据，搜索了Higgs玻色子对产生过程在$b\bar{b}b\bar{b}$末态中的现象。通过结合解析与增强的$b$-喷注重建技术，研究设定了$hh$产生截面乘以分支比的上限，非共振产生被约束在95%置信水平下低于1.22 pb，而Kaluza-Klein引力子的共振产生在600–3000 GeV质量范围内为24–91 fb。

ABSTRACT

A search for Higgs-boson pair production in the $b\bar{b}b\bar{b}$ final state is carried out with 3.2 fb$^{-1}$ of proton--proton collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector. The data are consistent with the estimated background and are used to set upper limits on the production cross section of Higgs-boson pairs times branching ratio to $b\bar{b}b\bar{b}$ for both nonresonant and resonant production. In the case of resonant production of Kaluza--Klein gravitons within the Randall--Sundrum model, upper limits in the 24 to 91 fb range are obtained for masses between 600 and 3000 GeV, at the 95% confidence level. The production cross section times branching ratio for nonresonant Higgs-boson pairs is also constrained to be less than 1.22 pb, at the 95% confidence level.

研究动机与目标

• 利用13 TeV质子-质子碰撞数据，搜索$b\bar{b}b\bar{b}$末态中非共振与共振Higgs玻色子对产生过程。
• 通过利用$\sqrt{s} = 13$ TeV下相比先前8 TeV数据更高的产生截面，提升对高质​​量共振态的探测灵敏度。
• 通过在增强分析中采用大半径喷注与小半径轨迹喷注，提升对高度增强Higgs玻色子的探测效率。
• 通过在增强分析中引入三$b$-标签喷注通道，提升对质量高于2000 GeV共振态的探测灵敏度，以应对高$p_T$下$b$-喷注识别效率降低的问题。
• 对非共振与共振情形下的$hh$产生截面乘以分支比，在95%置信水平下设定上限。

提出的方法

• 采用双轨分析策略：针对低质量$hh$系统（四个独立$b$-喷注可分辨）使用‘解析’分析，针对高质​​量系统（$b$-喷注合并为大半径喷注）使用‘增强’分析。
• 使用大半径喷注（anti-$k_t$，$R=1.0$）重构高度增强的Higgs玻色子，结合小半径轨迹喷注（$R=0.3$）实现$b$-强子标签。
• 应用先进的$b$-喷注标签算法与运动学重建技术，以区分信号与主导的$t\bar{t}+\text{jets}$及$gg\to b\bar{b}$背景。
• 采用多变量分析（MVA）方法，整合运动学与拓扑变量，提升信号与背景的分离能力。
• 对观测数据执行轮廓似然拟合，以在95%置信水平下设定信号截面的上限。
• 在增强分析中引入新的三$b$-标签通道，以提升对高质​​量共振态的探测灵敏度，弥补高$p_T$下$b$-标签效率下降的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 13$ TeV下，$b\bar{b}b\bar{b}$末态中非共振Higgs玻色子对产生过程的截面乘以分支比的上限是多少？
• RQ2 在Kaluza-Klein引力子的Randall-Sundrum模型中，对共振Higgs对产生的探测灵敏度如何随质量变化？
• RQ3 在增强分析中引入三$b$-标签通道，对高质​​量共振态探测灵敏度的提升程度如何？
• RQ4 在$hh$质量谱的全范围内，解析与增强分析策略的探测灵敏度如何比较？
• RQ5 与8 TeV相比，使用更小的轨迹喷注半径与更新的$b$-标签技术，在13 TeV下预期的灵敏度增益有多大？

主要发现

• 观测数据与预期背景一致，在$b\bar{b}b\bar{b}$末态中未观测到显著过量。
• 非共振$hh$产生截面乘以分支比的上限在95%置信水平下设定为1.22 pb。
• 在Randall-Sundrum模型中，Kaluza-Klein引力子共振产生时，上限范围为600 GeV时24 fb，3000 GeV时91 fb，置信水平为95%。
• 由于引入了三$b$-标签通道，增强分析在2000 GeV以上共振态中实现了更高的灵敏度，有效补偿了高$p_T$下$b$-标签效率降低的影响。
• 对于$hh$质量低于1100 GeV的区域，解析分析的灵敏度高于增强分析，支持在不同质量区域采用不同分析策略。
• 与8 TeV相比，13 TeV下的整体灵敏度提升显著，尤其在高质​​量区域，得益于更高的产生截面与改进的喷注重建技术。