[论文解读] Search for the Higgs boson decays to a $ ho^0$, $\phi$, or K$^{*0}$ meson and a photon in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2401 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索希格斯玻色子稀有衰变至ρ⁰、ϕ或K∗⁰介子加一个光子的过程。未观测到显著过量，因此在95%置信水平下获得最严格的实验上限：H → ρ⁰γ的上限为3.7 × 10⁻⁴，H → ϕγ和H → K∗⁰γ的上限均为3.0 × 10⁻⁴。

ABSTRACT

Three rare decay processes of the Higgs boson to a $ ho$(770)$^0$, $\phi$(1020), or K$^{*}$(892)$^0$ meson and a photon are searched for using $\sqrt{s}$ = 13 TeV proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC. Events are selected assuming the mesons decay into a pair of charged pions, a pair of charged kaons, or a charged kaon and pion, respectively. Depending on the Higgs boson production mode, different triggering and reconstruction techniques are adopted. The analyzed data sets correspond to integrated luminosities up to 138 fb$^{-1}$, depending on the reconstructed final state. After combining various data sets and categories, no significant excess above the background expectations is observed. Upper limits at 95% confidence level on the Higgs boson branching fractions into $ ho$(770)$^0$$\gamma$, $\phi$(1020)$\gamma$, and K$^{*}$(892)$^0\gamma$ are determined to be 3.7 $ imes$ 10$^{-4}$, 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, and 3.0 $ imes$ 10$^{-4}$, respectively. In case of the $ ho$(770)$^0$$\gamma$ and $\phi$(1020)$\gamma$ channels, these are the most stringent experimental limits to date.

研究动机与目标

• 通过希格斯玻色子衰变为轻夸克（u, d, s）的稀有衰变模式，即轻介子与光子，探测其与轻夸克的耦合。
• 检验标准模型对H → ρ⁰γ、H → ϕγ和H → K∗⁰γ的预测，这些衰变过程因Yukawa耦合较小或味改变中性流而高度抑制。
• 利用138 fb⁻¹的13 TeV质子-质子碰撞数据，设定这些分支比的最严格实验限制。
• 通过按希格斯玻色子产生模式（胶子-胶子融合、矢量玻色子融合、与W/Z或顶夸克的联合产生）对事件进行分类，提升灵敏度。
• 通过优化触发、粒子识别以及多变量分析技术，提升介子与光子末态的信号重建性能。

提出的方法

• 事件根据衰变链选择：ρ⁰ → π⁺π⁻，ϕ → K⁺K⁻，K∗⁰ → K⁺π⁻，以及H → 介子 + γ。
• 通过重建介子与光子系统的不变质量，并施加运动学和拓扑学要求，定义信号区域，以抑制QCD和电弱背景。
• 针对不同希格斯产生模式（ggH、VBF、VH、ttH）采用差异化的重建与触发策略，以最大化灵敏度。
• 通过控制区域和模拟估算QCD多喷胶、Drell-Yan及顶夸克过程的背景，并采用数据驱动方法进行验证。
• 采用基于XGBoost的多变量分析（MVA），利用运动学和几何变量区分信号与背景。
• 通过专用控制样本和参数化方法评估系统不确定性，对背景建模中的形状不确定性进行完整处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型背景下，H → ρ⁰γ分支比的上限是多少？
• RQ2 能否观测到希格斯玻色子衰变为ϕ介子与光子？其分支比的约束如何？
• RQ3 CMS实验对高度抑制的H → K∗⁰γ衰变的灵敏度如何？其结果的限制是什么？
• RQ4 所观测到的限制是否优于以往实验对这些稀有希格斯衰变的结果？
• RQ5 数据是否能揭示通过这些衰变模式探测到希格斯玻色子与轻夸克之间异常耦合的证据？

主要发现

• 在H → ρ⁰γ、H → ϕγ或H → K∗⁰γ的所有信号区域中，均未观测到超过背景预期的显著过量。
• H → ρ⁰γ分支比的95%置信水平上限为3.7 × 10⁻⁴，为迄今最严格的实验限制。
• H → ϕγ分支比的95%置信水平上限为3.0 × 10⁻⁴，亦为迄今报告的最严格限制。
• H → K∗⁰γ分支比的95%置信水平上限为3.0 × 10⁻⁴，首次达到此灵敏度水平的限制。
• H → ρ⁰γ和H → ϕγ的限制优于ATLAS与CMS以往结果，进一步提升了对轻夸克耦合的探测能力。
• 该分析展示了先进多变量技术与按产生模式定制优化策略在探测稀有希格斯衰变中的有效性。