[论文解读] Searches for additional Higgs bosons and for vector leptoquarks in $ au au$ final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2398 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文基于CMS探测器采集的138 fb⁻¹质子-质子对撞数据，在√s = 13 TeV下，对标准模型之外的新物理现象进行了三项与模型无关的搜索，研究对象为ττ末态。研究设定了新希格斯玻色子和矢量轻子偶素产生过程的95%置信水平上限，发现在0.1 TeV和1.2 TeV处存在局部超额信号，并在基准MSSM情景下排除了质量低于350 GeV的额外希格斯玻色子。

ABSTRACT

Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) in $ au au$ final states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay into $ au$ leptons and the cross sections for the production of a new boson $\phi$, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (gg$\phi$) or in association with b quarks, ranging from $\mathcal{O}$(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for gg$\phi$ production with local $p$-values equivalent to about three standard deviations at $m_\phi$ = 0.1 and 1.2 TeV. In a search for $t$-channel exchange of a vector leptoquark U$_1$, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U$_1$ leptoquark coupling to quarks and $ au$ leptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the $M_\mathrm{h}^{125}$ and $M_\mathrm{h, EFT}^{125}$ minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

研究动机与目标

• 通过胶子融合或底夸克关联产生机制，在ττ末态中搜索额外的希格斯玻色子。
• 通过t通道交换机制，在ττ末态中探测矢量轻子偶素的信号。
• 在包含三个中性希格斯玻色子的最小超对称标准模型（MSSM）基准情景下进行检验。
• 为新物理耦合常数和截面设定95%置信水平上限。
• 将数据解释为共振态与非共振态ττ产生过程，作为探测新物理的手段。

提出的方法

• 使用CMS探测器在√s = 13 TeV下采集的138 fb⁻¹质子-质子对撞数据。
• 分析四种ττ末态：eµ、eτh、µτh和τhτh，其中τh表示强子衰变的τ子。
• 采用数据驱动方法估算真实ττ事例及误判喷注（jet → τh）的背景。
• 通过不变质量重建与事件分类方法，分离潜在的共振信号。
• 利用包含系统不确定性的统计模型，为信号截面设定上限。
• 基于有效场论和MSSM情景，开展与模型无关及基准情景下的物理解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于通过胶子融合或底夸克关联产生而衰变为ττ的新自旋0共振态ϕ，其分支比与截面乘积的上限是多少？
• RQ2 在ττ不变质量谱中是否存在与新共振态一致的显著局部超额信号？
• RQ3 新矢量轻子偶素U1与夸克及τ轻子耦合的无量纲耦合常数的95%置信水平上限是多少？
• RQ4 在M125h和M125h,EFT MSSM基准情景下，质量低于350 GeV的额外希格斯玻色子被排除的程度如何？
• RQ5 结果在多大程度上限制了通过t通道轻子偶素交换导致的非共振ττ产生过程？

主要发现

• 对于ggϕ过程，新希格斯玻色子ϕ的分支比与截面乘积的上限在60 GeV处约为O(10 pb)，在3.5 TeV处降至0.3 fb。
• 在mϕ = 0.1 TeV和1.2 TeV处观察到两个局部超额信号，其局部p值分别相当于约三个标准差。
• 新矢量轻子偶素U1与夸克及τ轻子耦合的95%置信水平上限在1 TeV处为1，在5 TeV处为6。
• 在M125h和M125h,EFT MSSM基准情景下，质量低于350 GeV的额外希格斯玻色子在95%置信水平下被排除。
• 本分析对共振态与非共振态ττ末态均施加了严格约束，显著提升了对标准模型之外新物理现象的探测灵敏度。
• 所有结果均已公开发布于HEPData数据库，供后续模型对比与验证。