[论文解读] Searching for Low-Mass Resonances Decaying into $W$ Bosons

Guglielmo Coloretti, Andreas Crivellin+2 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Feb 14, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文重新分析了大型强子对撞机（LHC）运行2期间ATLAS与CMS的数据，旨在寻找通过胶子融合衰变为W玻色子的低质量新标量共振态。在WW→ℓνqq末态中，对95 GeV的标量玻色子观测到局部显著性≥2.5σ，其优选截面约为0.5 pb，该结果强化了其他通道中的提示，暗示可能存在一种超出标准模型的新型希格斯样粒子。

ABSTRACT

In this article, we recast and combine the CMS and ATLAS analyses of the Standard Model Higgs boson decaying to a pair of $W$ bosons in order to search for low-mass resonances in this channel. We provide limits on the corresponding cross section assuming direct production via gluon fusion. For the whole range of masses we consider (90$\,$GeV to 200$\,$GeV), the observed limit on the cross section turns out to be weaker than the expected one. Furthermore, at $\approx95\,$GeV the limit is weakest and a new scalar decaying into a pair of $W$ bosons (which subsequently decay leptonically) with a cross section $\approx0.5\,$pb is preferred over the Standard Model hypothesis by $\gtrsim 2.5\,σ$. In light of the excesses in the $γγ$, $τ^+τ^-$ and $b\bar b$ channels at similar masses, this strengthens the case for such a new Higgs boson. Furthermore, this analysis also gives room for the scalar candidate at 151$\,$GeV decaying into $W$ bosons.

研究动机与目标

• 利用LHC运行2数据搜索衰变为W玻色子对的低质量新标量共振态。
• 检验其他衰变道中关于95 GeV标量的现有迹象是否在WW末态中得到支持。
• 结合ATLAS与CMS对标准模型希格斯玻色子衰变为WW的分析，约束90–200 GeV质量区间的新物理。
• 评估将新中性标量解释为超荷为0的SU(2)L三重态的中性组分的可行性。
• 评估在95 GeV处观测到的信号过剩是否与胶子融合直接产生及随后W玻色子的轻子衰变一致。

提出的方法

• 使用MadGraph5aMC@NLO、Pythia8.3和Delphes对标准模型希格斯玻色子衰变过程gg→h→WW*→ℓ⁺ℓ⁻νν̄进行重建与快速模拟。
• 对每个性质点（90–200 GeV）模拟了100万事件，针对通过胶子融合产生并衰变为WW*、随后发生轻子衰变的新标量H。
• 通过将横质量（mT）分布与ATLAS实验中标准模型希格斯玻色子的数据进行比较，验证了模拟结果的可靠性。
• 执行全局拟合，结合ATLAS与CMS数据，允许在CMS类别中重新拟合背景以提升灵敏度。
• 使用轮廓似然比检验统计量计算局部显著性与全局显著性，同时考虑“他处查找”效应。
• 评估在背景重新拟合与不重新拟合情况下的信号显著性，尤其关注高pT2区域（此处效率较低）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ATLAS与CMS运行2数据的联合分析中，90–200 GeV质量区间是否存在衰变为W玻色子的新型标量共振态的证据？
• RQ2 在考虑背景不确定性与数据联合分析后，WW→ℓνqq末态中约95 GeV处观测到的信号过剩是否依然存在？
• RQ3 95 GeV处的信号过剩是否可解释为通过胶子融合产生并衰变为W对的新标量玻色子，且其行为与标准模型希格斯玻色子一致？
• RQ4 与预期极限相比，该信号的显著性如何？背景重新拟合对显著性估计有何影响？
• RQ5 观测到的信号是否与仅耦合至W玻色子的SU(2)L三重态模型中的中性标量一致，并能解释CDF II实验中W玻色子质量异常？

主要发现

• 在整个90–200 GeV质量区间内，观测到的截面极限弱于预期极限，表明更倾向于存在新物理信号。
• 在约95 GeV处，局部显著性达到≥2.5σ，新标量衰变为W玻色子的优选截面约为0.5 pb。
• ATLAS与CMS数据的联合拟合结果显示，全局显著性为2.6σ（重新拟合）和2.8σ（未重新拟合），其中95 GeV信号最为显著。
• CMS分析在高pT2区域显示出显著张力，由于效率较低导致信号显著性下降，但联合拟合结果仍与正向信号一致。
• 150 GeV情形下，虽存在较小但非零的信号偏好（2.2σ全局显著性），但其说服力弱于95 GeV处的结果。
• 结果与将新标量解释为超荷为0的SU(2)L三重态的中性组分一致，其真空期望值可能解释CDF II实验中W玻色子质量的测量异常。