[论文解读] Searches for Higgs boson pair production with ATLAS

A. Ferrari|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文报告了在LHC Run-2期间，利用13 TeV质子-质子碰撞的36.1 fb⁻¹数据，ATLAS实验对Higgs玻色子对产生（HH）的三项搜索。分析针对末态HH→bbbb、HH→bbγγ和HH→WWγγ中的非共振和共振HH产生过程，设定95%置信水平（CL）排除极限，并将Higgs自耦合常数约束在−5.0 < κλ < 12.1之间。

ABSTRACT

The search for Higgs boson pair ($HH$) production is at the core of the ATLAS experimental program, as it probes the Brout-Englert-Higgs mechanism, as well as new physics beyond the Standard Model. Based on the proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at CERN's Large Hadron Collider in 2015 and 2016, three public results on the search for $HH o bbbb$, $HH o bbγγ$ and $HH o WWγγ$ were recently released and are summarised in these proceedings.

研究动机与目标

• 通过搜索Higgs玻色子对产生（HH），探测Higgs自耦合常数，这是对标准模型中Higgs势能的关键检验。
• 通过多种末态中的非共振和共振HH产生，搜索标准模型之外的新物理。
• 测量HH产生截面（标准模型预测值为33.41 fb）与预期值的偏差，该值在许多新物理理论中被增强。
• 开发并应用新型数据驱动技术，以抑制主导的多喷射背景，特别是在HH→bbbb通道中。
• 对通过自旋为0或自旋为2的共振态衰变为Higgs对的共振HH产生设定排除极限。

提出的方法

• 利用LHC Run-2期间ATLAS在√s = 13 TeV下获取的36.1 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用分辨和强子喷射重构的事件拓扑结构：分辨喷射使用R=0.4的anti-kT算法，强子喷射使用R=1.0的anti-kT算法，并对强子喷射在R=0.2范围内进行b夸克标记。
• 基于m4j、m2j、ΔRjj和pT要求的运动学选择，识别Higgs玻色子候选事例，并抑制顶夸克和QCD背景。
• 在HH→bbbb通道中采用数据驱动技术估计多喷射背景，尤其针对2016年数据中触发效率不足的问题。
• 使用模拟（HH和单H产生）对信号和背景分布进行建模，并对连续多喷射/多光子背景采用数据拟合，函数形式为Crystal-Ball和指数函数。
• 针对每个末态应用定制的事件选择切割：例如，在HH→WWγγ中要求pT(γγ) > 100 GeV，且mγγ与mH一致（符合H→γγ衰变）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HH→bbbb、HH→bbγγ和HH→WWγγ末态中，非共振Higgs玻色子对产生截面的极限是多少？
• RQ2 在260–3000 GeV质量范围内，能否通过自旋为0或自旋为2的共振态衰变为HH来观测到共振Higgs玻色子对产生？
• RQ3 在每个末态中，观测到的事件率与标准模型预测相比如何？这些结果对Higgs自耦合常数施加了何种约束？
• RQ4 在具有大背景的HH→bbbb通道中，数据驱动背景估计技术能在多大程度上降低不确定性？
• RQ5 多个HH末态的联合灵敏度在多大程度上可探测Higgs sector中的新物理？

主要发现

• 非共振Higgs玻色子对产生截面的联合观测95% CL极限为0.223 pb，相当于标准模型预测值的6.7倍。
• 基于三项最敏感搜索的统计组合，Higgs自耦合常数κλ在95% CL下被约束在−5.0 < κλ < 12.1之间。
• 对于共振HH产生，已对假设共振质量的函数关系设定95% CL排除极限，其中HH→bbbb通道的排除范围延伸至3 TeV。
• 在HH→bbγγ通道中，排除极限覆盖800–3000 GeV的质量范围，且在1500 GeV处观察到事件选择策略的变化。
• 在HH→WWγγ通道中，非共振HH产生的观测极限为标准模型截面的230倍，预期极限范围为160至340倍标准模型值（95% CL）。
• 第四项搜索（HH→bbττ）在会议之后发表，对非共振HH产生设定了12.7倍标准模型预期的95% CL极限。