[论文解读] Search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light pseudoscalar particle decaying to two photons

G. Aad, B. Abbott+2935 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次搜索了希格斯玻色子衰变为Z玻色子与一个轻赝标量粒子（a）的过程，其中该赝标量粒子衰变为两个光子。利用LHC运行2期间的139 fb⁻¹数据，分析采用合并与分辨光子重建类别，未发现与背景存在显著偏离，且在0.1–33 GeV的a质量范围内，对H→Za×Br(a→γγ)的分支比设定了95%置信水平上限，范围为0.08%至2%。

ABSTRACT

A search for the decay of the Higgs boson to a $Z$ boson and a light, pseudoscalar particle, $a$, decaying respectively to two leptons and to two photons is reported. The search uses the full LHC Run 2 proton-proton collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, corresponding to 139 fb$^{-1}$ collected by the ATLAS detector. This is one of the first searches for this specific decay mode of the Higgs boson, and it probes unexplored parameter space in models with axion-like particles (ALPs) and extended scalar sectors. The mass of the $a$ particle is assumed to be in the range 0.1-33 GeV. The data are analysed in two categories: a merged category where the photons from the $a$ decay are reconstructed in the ATLAS calorimeter as a single cluster, and a resolved category in which two separate photons are detected. The main background processes are from Standard Model $Z$ boson production in association with photons or jets. The data are in agreement with the background predictions, and upper limits on the branching ratio of the Higgs boson decay to $Za$ times the branching ratio $a o\gamma\gamma$ are derived at the 95% confidence level and they range from 0.08% to 2% depending on the mass of the $a$ particle. The results are also interpreted in the context of ALP models.

研究动机与目标

• 探索此前未被研究的希格斯玻色子衰变模式：H→Za，其中a为衰变为两个光子的轻赝标量粒子。
• 探索轴子样粒子（ALPs）和扩展希格斯体系模型中的参数空间。
• 利用完整的LHC运行2数据，对H→Za×Br(a→γγ)的分支比施加约束。
• 探讨轻赝标量粒子在解释μ子g−2偏差等异常现象中的潜在作用。
• 通过同时考虑合并与分辨光子拓扑结构，提升对希格斯玻色子奇异衰变的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用ATLAS探测器在2015–2018年期间收集的√s = 13 TeV质子-质子碰撞数据，总计139 fb⁻¹。
• 分析两类事件：合并（光子在量能器中形成单一簇）与分辨（两个独立光子被探测到）。
• 采用先进的轻子（来自Z→ℓℓ）与光子（来自a→γγ）重建技术，包括不变质量重建与运动学选择。
• 使用模拟的信号与背景样本（如Z+jets、Z+γ、γγ+jets）来模拟探测器响应并估算背景。
• 应用多变量分析技术与信号区域优化，以增强对稀有希格斯衰变的探测灵敏度。
• 执行统计假设检验，推导出信号强度的95%置信水平上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS实验在0.1–33 GeV质量范围内的轻赝标量粒子情况下，对H→Za→Zγγ衰变模式的探测灵敏度如何？
• RQ2 合并与分辨光子重建策略在此搜索中如何影响信号探测效率与背景抑制？
• RQ3 在不同a质量下，H→Za×Br(a→γγ)的95%置信水平分支比上限是多少？
• RQ4 该结果如何约束轴子样粒子（ALPs）与扩展希格斯体系模型？
• RQ5 在标准模型预测之外，H→Za→Zγγ末态中是否存在新物理的证据？

主要发现

• 在合并与分辨光子类别中，均未观测到显著超出标准模型背景的过量事件。
• 在95%置信水平下设定了Br(H→Za)×Br(a→γγ)的上限，其范围在0.1–33 GeV的a质量范围内为0.08%至2%。
• 在a质量接近10–15 GeV时达到最严格的限制，上限约为0.15%。
• 该搜索对某些a质量下，可探测到Br(H→Za)×Br(a→γγ)低至0.08%的信号模型。
• 结果在轴子样粒子模型背景下进行了解读，排除了此前未探索的参数空间的大部分区域。
• 该分析证明了利用合并光子重建技术探测希格斯衰变中低质量赝标量粒子的可行性。