[论文解读] The compatibility of LHC Run 1 data with a heavy scalar of mass around 270\,GeV

S. E. von Buddenbrock, Nabarun Chakrabarty+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用 16

一句话总结

本文研究了LHC Run 1数据与约272 GeV的假设重标量玻色子之间的相容性，提出在Higgs玻色子产生和衰变道中观测到的过剩——特别是双Higgs、顶夸克关联以及VV共振搜索——可由单一新物理粒子衰变为Higgs玻色子、缺失能量或喷注来解释。统计分析得出最佳拟合质量为272⁺¹²₋₉ GeV，显著性约为三个标准差，表明存在一个未在原始搜索中优化的新物理信号。

ABSTRACT

The first run of the LHC was successful in that it saw the discovery of the elusive Higgs boson, a particle that is consistent with the SM hypothesis. There are a number of excesses in Run 1 ATLAS and CMS results which can be interpreted as being due to the existence of another heavier scalar particle. This particle has decay modes which we have studied using LHC Run 1 data. Using a minimalistic model, we can predict the kinematics of these final states and compare the prediction against data directly. A statistical combination of these results shows that a best fit point is found for a heavy scalar having a mass of 272$^{+12}_{-9}$\,GeV. This result has been quantified as a three sigma effect, based on analyses which are not necessarily optimized for the search of a heavy scalar. The smoking guns for the discovery of this new heavy scalar and the prospects for Run 2 are discussed.

研究动机与目标

• 评估LHC Run 1 Higgs玻色子数据中多个过剩——包括微分$p_T$、双Higgs、顶夸克关联及$VV$共振搜索——是否可由单一重标量玻色子一致解释。
• 检验假设：一种新发现的重标量玻色子，衰变为$hh$、$h\chi\chi$（其中$\chi$为暗物质）或$hjj$，可解释观测到的与标准模型预测的偏差。
• 在不预先针对重标量玻色子优化的情况下，使用最小化有效场论模型，量化多个末态中过剩组合的显著性。
• 识别Run 2数据中此类重标量玻色子发现的关键实验信号——‘确凿证据’。

提出的方法

• 对ATLAS和CMS的14项独立LHC Run 1结果进行了统计组合，使用共同检验统计量$\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$，将标准模型（SM）假设与包含重标量的BSM模型进行比较。
• BSM模型引入一个质量为$m_H$的重标量$H$，通过有效耦合与SM Higgs玻色子以及暗物质或强子喷注耦合，其衰变模式包括$H \to hh$、$H \to h\chi\chi$和$H \to hjj$。
• 通过在$m_H$上进行最小化过程寻找最佳拟合质量，不确定性通过轮廓似然法和检验统计量估计。
• 该模型考虑了由于$H$介导贡献导致的Higgs横向动量($p_T^h$)谱的运动学畸变，特别是来自$pp \to H \to hh$和$H \to h\chi\chi$的贡献。
• 通过检验统计量分布量化了观测过剩的显著性，给出了单自由度下的$1\sigma$、$2\sigma$和$3\sigma$带。
• 基于$hjj$、$VV$和$hh$不变质量谱中的增强喷注多重性、缺失横向能量和共振结构，识别了确凿证据信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC Run 1 Higgs玻色子数据中观测到的过剩——包括$p_T^h$、双Higgs、顶夸克关联及$VV$共振搜索——是否可由单一重标量玻色子一致解释？
• RQ2 假设该重标量玻色子衰变为$hh$、$h\chi\chi$或$hjj$，其最佳拟合质量与显著性为何？
• RQ3 当使用未针对重标量搜索优化的分析时，结果是否稳健？NNLO QCD修正的影响如何？
• RQ4 在Run 2数据中，发现此类重标量玻色子的最敏感末态或‘确凿证据’信号是什么？

主要发现

• 该假设重标量玻色子的最佳拟合质量为$272^{+12}_{-9}$ GeV，由多项LHC Run 1结果的联合分析得出。
• 基于检验统计量$\chi^2_{\text{SM}} - \chi^2_{\text{BSM}}$，观测数据在BSM模型相对于SM假设下显示出约三个标准差（$3\sigma$）的显著性。
• 显著性最大贡献来自双Higgs玻色子共振搜索，特别是$H \to hh$衰变，ATLAS和CMS数据中均显示出增强的截面。
• 该模型通过$H$介导的产生过程解释了观测到的$p_T^h$谱和喷注多重性的过剩，包括$H \to hh$和$H \to hjj$衰变。
• 结果对NNLO QCD修正的包含具有鲁棒性，表明显著性不受高阶QCD效应的显著影响。
• 本研究识别出七种Run 2的关键‘确凿证据’信号，包括$hjj$、$hh$和$VV$不变质量谱中的共振峰，以及顶夸克关联Higgs事例中增强的缺失能量。