[论文解读] Search for the Standard Model Higgs boson produced by vector boson fusion and decaying to bottom quarks

Giorgia Rauco|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 4

一句话总结

本论文利用CMS探测器在√s = 8 TeV下收集的19.8 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对通过矢量玻色子融合（VBF）产生并衰变为底夸克对（bb̄）的规范模型希格斯玻色子进行了搜索。在125 GeV处，观测到的信号显著性为2.2个标准差，测得的信号强度μ = 2.8⁺¹.⁶₋₁.⁴，与其它CMS H → bb̄搜索结果结合后，得到μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴²，与标准模型预测在8%水平内兼容，显著性为2.56σ。

ABSTRACT

The search for the Standard Model (SM) Higgs boson (H) produced through the Vector Boson Fusion (VBF) mechanism and decaying to a pair of bottom quarks is reported. The used data have been collected with the CMS detector and correspond to an integrated luminosity of 19.8 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=8$ TeV at the CERN LHC. Parked data have been exploited as well. This search resulted in an observed (expected) significance in these data samples for a H $ ightarrow$ b$\bar{b}$ signal at a mass of 125 GeV of 2.2 (0.8) standard deviations. The cited signal strength, $μ=σ/σ_{ extrm{SM}}$, was measured to be 2.8$^{+1.6}_{-1.4}$. This result has been combined with other CMS searches for the SM Higgs boson decaying in a pair of bottom quarks exploiting other Higgs production mechanisms. The obtained combined signal strength is 1.0 $\pm$ 0.4, corresponding to an observed signal significance of 2.6 standard deviations for a Higgs boson mass of 125 GeV.

研究动机与目标

• 搜索通过矢量玻色子融合（VBF）产生并衰变为底夸克对（bb̄）的规范模型希格斯玻色子，该衰变模式为理论重要性高的主导衰变通道。
• 通过利用具有两个前向喷注和一个中央bb̄对的VBF典型拓扑结构，克服包括希格斯产生中占主导的QCD背景。
• 测量VBF产生H → bb̄在125 GeV处的信号强度μ = σ/σ_SM，以检验其与规范模型预测的一致性。
• 将本结果与其他CMS H → bb̄搜索通道（VH、ttH）结果结合，以提高灵敏度并约束希格斯信号强度。

提出的方法

• 分析了CMS探测器在√s = 8 TeV下收集的19.8 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，使用专用与通用触发器选择富含VBF事例的四喷注事件及b夸克标记候选事例。
• 事件重建采用粒子流算法与反-kT喷注聚类（R = 0.5），b夸克喷注通过CSV b夸克标记算法识别。
• 应用多变量判别器以区分信号与背景，结合b标记值、喷注伪快度及顺序信息，提升信号灵敏度。
• 在多个信号增强类别中对两b夸克喷注候选的不变质量分布进行联合拟合，将背景建模为QCD、顶夸克及Z/W + 喷注贡献。
• 信号与背景形状来自蒙特卡罗模拟，喷注能量标度（JES）与分辨率（JER）不确定性通过校准因子k_JES与k_JER参数化。
• 采用渐近CLs方法提取信号强度μ = σ/σ_SM，系统误差对形状与产率的影响在拟合中作为自由参数处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在19.8 fb⁻¹的8 TeV数据中，通过VBF产生并衰变为底夸克对的希格斯玻色子在125 GeV处的观测显著性是多少？
• RQ2 VBF → H → bb̄的测得信号强度μ = σ/σ_SM与规范模型预测的μ = 1相比如何？
• RQ3 当将VBF结果与其他H → bb̄搜索通道（VH、ttH）结果结合时，联合信号强度与显著性是多少？
• RQ4 在VBF → bb̄通道中，观测数据与仅含背景的假设有多吻合？
• RQ5 影响VBF H → bb̄搜索中信号强度测量的主要系统误差是什么？

主要发现

• 在VBF → bb̄通道中，125 GeV处希格斯玻色子的观测显著性为2.2个标准差，而在仅含背景的假设下预期显著性仅为0.8个标准差。
• VBF产生H → bb̄的测得信号强度为μ = 2.8⁺¹.⁶₋₁.⁴，表明相对于规范模型预测存在信号过剩，但与之在8%水平内兼容。
• 与VH及ttH H → bb̄搜索结果结合后，联合信号强度测得为μ = 1.03⁺⁰.⁴⁴₋⁰.⁴²，与规范模型预测μ = 1一致。
• 在所有H → bb̄通道中，125 GeV希格斯玻色子的联合观测显著性为2.56个标准差，预期显著性为2.70个标准差。
• 在联合分析中，仅含背景的假设被排除在2σ以上置信水平，支持希格斯信号的存在。
• 拟合结果表明，数据与信号+背景模型之间具有良好一致性，各类别与系统参数的不确定性在多类别联合拟合中得到有效控制。