[论文解读] Search for resonant and non-resonant Higgs boson pair production in the $b\bar b au^+ au^-$ decay channel using 13 TeV $pp$ collision data from the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS实验在13 TeV质子-质子碰撞下获得的139 fb$^{-1}$数据，搜索了在$b\bar{b}\tau^+\tau^-$末态中的非共振与共振Higgs玻色子对产生。通过采用先进的多变量分析技术以及改进的$\tau$-强子和$b$-喷注重建方法，该分析对非共振Higgs对产生截面设定了观测（预期）95%置信水平上限，分别为标准模型预测值的4.7（3.9）倍；对共振产生则设定了21–900 fb（12–840 fb）的上限，具体取决于共振态质量。

ABSTRACT

A search for Higgs boson pair production in events with two $b$-jets and two $τ$-leptons is presented, using a proton-proton collision dataset with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ collected at $\sqrt{s}=13$ TeV by the ATLAS experiment at the LHC. Higgs boson pairs produced non-resonantly or in the decay of a narrow scalar resonance in the mass range from 251 to 1600 GeV are targeted. Events in which at least one $τ$-lepton decays hadronically are considered, and multivariate discriminants are used to reject the backgrounds. No significant excess of events above the expected background is observed in the non-resonant search. The largest excess in the resonant search is observed at a resonance mass of 1 TeV, with a local (global) significance of $3.1σ$ ($2.0σ$). Observed (expected) 95% confidence-level upper limits are set on the non-resonant Higgs boson pair-production cross-section at 4.7 (3.9) times the Standard Model prediction, assuming Standard Model kinematics, and on the resonant Higgs boson pair-production cross-section at between 21 and 900 fb (12 and 840 fb), depending on the mass of the narrow scalar resonance.

研究动机与目标

• 主要目标是利用完整的Run 2数据集，在$b\bar{b}\tau^+\tau^-$衰变道中搜索非共振与共振Higgs玻色子对产生。
• 通过优化信号选择与背景抑制，提升对非共振$HH$产生的探测灵敏度。
• 旨在对质量介于251至1600 GeV之间的窄标量共振态引发的共振$HH$产生截面设定严格上限。
• 通过增强重建与区分技术，应对$HH$产生在标准模型中截面较小的挑战。
• 为检验Higgs自耦合并探测标准模型之外的新物理提供支持。

提出的方法

• 本分析使用ATLAS探测器在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的139 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据。
• 事件选择标准为包含两个$b$-喷注和两个$\tau$-轻子，涵盖$\tau$的强子衰变与轻子衰变两种模式。
• 采用多变量判别器以区分信号与主要背景，特别是$t\bar{t}$和$\mathrm{VBF}$过程。
• 应用先进的$\tau$-强子与$b$-喷注重建及识别技术，以提升信号灵敏度。
• 使用Profile-likelihood检验统计量与修正的频率派CLs方法，设定95%置信水平的截面上限。
• 通过数据驱动方法与基于模拟的修正方法评估系统性不确定性，包括新型假$\tau_{\text{had}}$估计技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完整Run 2数据集下，对非共振Higgs玻色子对产生在$b\bar{b}\tau^+\tau^-$末态中的探测灵敏度如何？
• RQ2 对质量介于251至1600 GeV之间的窄标量共振态，其共振Higgs对产生截面的上限是多少？
• RQ3 $\tau$-强子与$b$-喷注重建技术的改进如何提升相比以往搜索的灵敏度？
• RQ4 在共振搜索中观察到的任何过量的显著性如何？与仅含背景的假设相比有何差异？
• RQ5 与以往ATLAS和CMS结果相比，新限制在灵敏度与覆盖范围方面表现如何？

主要发现

• 在非共振Higgs玻色子对产生搜索中未观测到显著过量，与仅含背景的假设一致。
• 非共振$HH$产生截面的观测（预期）95%置信水平上限为标准模型预测值的4.7（3.9）倍。
• 在共振搜索中，最大局部（全局）显著性为1 TeV共振质量下的3.1$\sigma$（2.0$\sigma$）。
• 观测（预期）的共振$HH$产生截面上限范围为21至900 fb（12至840 fb），具体取决于共振态质量。
• 本搜索实现了迄今为止单个实验对非共振$HH$产生的最高预期灵敏度。
• 对共振$HH$产生的限制在所探索质量范围的大部分区域，比最新ATLAS与CMS组合结果更为严格或具有可比性。