[论文解读] Searches for the Standard Model Higgs Boson at CMS

M. Pieri|arXiv (Cornell University)|May 13, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验提供的7 TeV质子-质子碰撞数据（5 fb⁻¹），在11种衰变道中联合搜索标准模型希格斯玻色子。在95%置信水平下，该研究排除了质量在127.5至600 GeV之间的标准模型希格斯玻色子，同时在125 GeV处观察到一个局部2.8σ的超额信号，该信号与该质量下希格斯玻色子的预期一致，但在经过全局显著性校正后尚未达到统计显著性。

ABSTRACT

We searched for the standard model Higgs boson in many different channels using approximately 5 fb-1 of 7 TeV pp collisions data collected with the CMS detector at LHC. Combining the results of the different searches we exclude at 95% confidence level a standard model Higgs boson with mass between 127.5 and 600 GeV. The expected 95% confidence level exclusion if the Higgs boson is not present is from 114.5 and 543 GeV. The observed exclusion is weaker than expected at low mass because of some excess that is observed below about 128 GeV. The most significant excess is found at 125 GeV with a local significance of 2.8 sigma. It has a global significance of 0.8 sigma when evaluated in the full search range and of 2.1 sigma when evaluated in the range 110-145 GeV. The excess is consistent both with background fluctuation and a standard model Higgs boson with mass of about 125 GeV, and more data are needed to investigate its origin.

研究动机与目标

• 利用LHC提供的5 fb⁻¹的7 TeV质子-质子碰撞数据，跨多个衰变道搜索标准模型希格斯玻色子。
• 将11个独立搜索通道的结果进行联合，以提高灵敏度并设定希格斯玻色子质量的排除限。
• 评估在约125 GeV附近观察到的局部超额信号的显著性，并判断其是否与希格斯玻色子信号一致，或仅为背景涨落。
• 将观测到的排除限与假设无希格斯玻色子时的预期排除限进行比较，以评估偏差的显著性。
• 提供希格斯玻色子质量与信号强度的最新约束，为2012年更高能数据采集前的希格斯玻色子搜寻提供信息支持。

提出的方法

• 采用CLs方法对11个独立的希格斯玻色子搜索通道结果进行统计联合，每个通道均针对特定质量范围和衰变模式进行了优化。
• 使用信号强度乘数μ = σ/σ_SM将观测到的信号产率与标准模型预测进行比较，并纳入理论不确定性。
• 采用基于数据驱动方法和蒙特卡罗模拟的背景估计技术，信号建模基于标准模型截面和分支比。
• 利用粒子流算法减轻高亮度条件下堆叠效应的影响，提升重建精度。
• 执行局部与全局显著性评估：对每个质量点计算局部p值，并在完整搜索范围（110–600 GeV）及110–145 GeV窗口内计算全局p值。
• 联合了包括γγ、WW、ZZ、bb、ττ等在内的多个通道结果，其质量分辨率和灵敏度随希格斯玻色子质量的不同而有所差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用5 fb⁻¹的7 TeV数据下，是否在110–600 GeV质量范围内发现了标准模型希格斯玻色子的证据？
• RQ2 在无希格斯玻色子假设下，观测到的排除限与预期排除限相比如何？
• RQ3 在125 GeV附近观测到的超额信号的显著性如何，包括局部显著性与全局显著性？
• RQ4 125 GeV处观测到的超额信号是否与标准模型希格斯玻色子一致，还是仅为背景涨落？
• RQ5 在125 GeV处的联合信号强度乘数μ是多少，其与标准模型预期相比如何？

主要发现

• CMS实验在95%置信水平下，排除了质量在127.5 GeV至600 GeV之间的标准模型希格斯玻色子。
• 在假设无希格斯玻色子的前提下，预期的95%置信水平排除范围为114.5–543 GeV，显示出在LEP极限附近的强灵敏度。
• 在低于128 GeV的范围内发现观测到的超额信号，其中125 GeV处的局部显著性最高，达到2.8σ。
• 当在完整110–600 GeV范围内评估时，125 GeV处超额信号的全局显著性为0.8σ；当限制在110–145 GeV窗口内时，全局显著性为2.1σ。
• 在125 GeV处拟合得到的信号强度乘数μ与标准模型预测一致，其中对超额信号贡献最大的是H→γγ通道。
• 在低质量区域，观测到的排除限弱于预期，这是由于存在超额信号，表明可能存在信号或统计涨落，需依赖更多数据进一步验证。