$\sqrt{s}$ = 13 TeV陽子-陽子衝突における、高エネルギーのジェットと2つの電子、2つのミュー粒子、または横方向運動量の不足を伴う事象における、Zボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴の探索

核心概念

本稿では、LHCのCMS実験で収集された138 fb$^{-1}$のデータを用いて、Zボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴状態の探索を行い、重いベクトル三重項モデルのパラメータ空間における新たな制限を得た。

要約

研究論文の概要

書誌情報

• タイトル: $\sqrt{s}$ = 13 TeV陽子-陽子衝突における、高エネルギーのジェットと2つの電子、2つのミュー粒子、または横方向運動量の不足を伴う事象における、Zボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴の探索
• 出版機関: CERN
• 著者: CMS Collaboration
• 出版日: 2024年11月4日

研究目的

本研究の目的は、LHCのCMS実験で収集された138 fb$^{-1}$のデータを用いて、Zボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴状態を探索し、標準模型を超える物理の可能性を探ることである。

方法

• 13 TeVの陽子-陽子衝突データを用いて、Zボソンが電子対、ミューオン対、ニュートリノ対に崩壊し、ヒッグスボソンがハドロン崩壊する事象を探索した。
• ヒッグスボソンは単一の高エネルギーAK8ジェットとして再構成され、Zボソン系に対して大きな方位角方向の分離を持つことを要求した。
• 機械学習ベースのフレーバータギング技術を用いて、運動量を持つヒッグスボソンがチャームクォーク対、ボトムクォーク対、または中間状態H→WWおよびZZ崩壊を介した4つのクォークに崩壊する現象を識別した。
• 背景事象の予測には、データ駆動型の方法を用いて、観測された質量分布に一次元関数をフィッティングした。

主な結果

• 解析の結果、探索領域において有意な信号は見られなかった。
• 観測されたデータと標準模型の背景事象の予測との間に有意なずれはみられなかった。
• 重いベクトル三重項モデルにおけるフェルミオン結合(gF)とボソン結合(gH)の2次元的な上限が設定された。
• 本解析単独では、モデルAとモデルBに対してそれぞれ2.8 TeVと3 TeVのZ'ボソン質量の下限が得られた。

結論

本研究では、LHCのCMS実験で収集された138 fb$^{-1}$のデータを用いて、Zボソンとヒッグスボソンに崩壊する重い共鳴状態の探索を行った。その結果、重い共鳴の証拠は見つからず、重いベクトル三重項モデルのパラメータ空間における新たな制限が得られた。

意義

本研究は、LHCにおける高エネルギー衝突データを用いた新粒子探索の現状を示すものである。得られた結果は、標準模型を超える物理モデルの制限に重要な情報を提供する。

制限と今後の研究

• 本研究では、特定の重いベクトル三重項モデルに焦点を当てている。他の新粒子モデルの探索には、異なる解析手法が必要となる可能性がある。
• 今後、より多くのデータが蓄積されることで、探索の感度が向上し、より重い質量領域を探索することが可能になる。

統計

データは、2016年から2018年にかけてCMS検出器で収集された、$\sqrt{s}$ = 13 TeVの陽子-陽子衝突に対応する138 fb$^{-1}$の積分ルミノシティに相当する。
解析では、Zボソンが電子対、ミューオン対、ニュートリノ対に崩壊し、ヒッグスボソンがハドロン崩壊する事象を探索した。
H→bb事象の約60%が、2つのbタグ付きサブジェットを持つジェットの棄却にもかかわらず、選択された信号事象を構成している。
HvsQCD識別に基づく選択により、残りのH→bb事象の大部分が保持され、同時に背景事象が大幅に棄却される。
HvsQCDスコアで選択した後、観測された信号事象の相対的な寄与は、H→bb、qqqq、cc、ττ崩壊からそれぞれ約60%、20%、15%、5%である。

引用

"Compared with previous analyses, the sensitivity for high resonance masses is improved significantly in the channel where at most one b quark is tagged."
"The analysis presented in this article demonstrates a significant improvement in the sensitivity for the category with fewer than two identified b quarks."
"We used a combination of b, c, and light-flavor tagging for hadronic H boson final states to improve the sensitivity of a BSM search at high resonance masses."

抽出されたキーインサイト

Search for a heavy resonance decaying into a Z and a Higgs boson in events with an energetic jet and two electrons, two muons, or missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

by CMS Collabor... 場所 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00202.pdf

深掘り質問

本研究で用いられた新しい解析手法は、他の新粒子探索にも応用できるか？

はい、本研究で用いられた新しい解析手法は、他の新粒子探索にも応用できる可能性があります。
この研究では、従来のヒッグス粒子探索ではあまり注目されていなかった、チャームクォーク対や4つのクォークへの崩壊モードを対象とした点が革新的です。さらに、ParticleNet-MDアルゴリズムを用いたジェットのフレーバータグ付けやサブ構造解析など、高度な機械学習技術を駆使することで、信号と背景事象の識別能力を大幅に向上させています。
これらの手法は、ヒッグス粒子以外の粒子にも応用可能です。例えば、以下のような新粒子探索に役立つ可能性があります。

重い共鳴状態の探索: WボソンやZボソンなどの既知の粒子に崩壊する重い共鳴状態の探索にも、本研究の手法は有効です。特に、崩壊先の粒子がハドロンジェットを生成する場合、ジェットのサブ構造解析やフレーバータグ付けが威力を発揮します。
超対称性粒子の探索: 超対称性理論で存在が予言されている、標準模型粒子のパートナー粒子の探索にも応用できます。超対称性粒子は、カスケード崩壊を起こし、最終的に複数のジェットとmissing transverse momentumを生成すると考えられています。本研究で用いられたジェット解析技術は、これらの信号事象を背景事象から分離するのに役立ちます。
ダークマター粒子の探索: ダークマター粒子は、標準模型の粒子と非常に弱く相互作用するため、検出が困難です。しかし、ダークマター粒子が生成されると、missing transverse momentumを伴う事象が観測されると期待されています。本研究のmissing transverse momentumを用いた解析手法は、ダークマター探索にも応用できます。
このように、本研究で開発された新しい解析手法は、ヒッグス粒子探索以外にも幅広い新粒子探索に応用できる可能性を秘めています。今後、LHC実験や将来の加速器実験において、これらの手法が活用され、新たな粒子の発見につながることが期待されます。

もし、この探索で信号が見られた場合、それが本当に新しい粒子であることを確認するために、どのような追加の測定が必要となるか？

もしこの探索で信号が見られた場合、それが統計的な揺らぎではなく、本当に新しい粒子であることを確認するために、更なる検証が必要です。具体的には、以下の様な追加測定が考えられます。

統計量の増加: まず、より多くのデータを取得し、信号の統計量を増やすことが重要です。 現時点では、信号と背景事象の識別が困難なため、統計的な揺らぎである可能性も否定できません。 データを増やすことで、信号の有意性を高め、揺らぎではないことを証明できます。
信号の質量分布の詳細な解析: 信号事象の質量分布を詳細に解析し、新しい粒子の質量や崩壊幅を正確に決定する必要があります。 これにより、標準模型では説明できない質量を持つ粒子であることを証明し、新粒子発見の確度を高めることができます。
崩壊モードの分岐比の測定: 新しい粒子の崩壊モードの分岐比を測定することで、その粒子の性質をより深く理解することができます。 標準模型を超える理論から予測される分岐比と比較することで、新しい粒子がどの様な理論的枠組みに属するのかを絞り込むことができます。
スピン、パリティの決定: 新しい粒子のスピンやパリティを決定することも重要です。 これらの情報は、粒子の相互作用を理解する上で不可欠であり、標準模型の粒子と異なる性質を持つことを示す証拠となります。

これらの追加測定は容易ではありませんが、新粒子発見の確証を得るためには不可欠です。 信号の有意性が十分に高く、これらの追加測定によって新しい粒子の性質が明らかになれば、標準模型を超える物理の存在を示す決定的な証拠となるでしょう。

この研究は、宇宙の物質とエネルギーの組成に関する我々の理解にどのような影響を与える可能性があるか？

この研究は、標準模型を超える物理、特にheavy vector triplet (HVT) modelを検証することで、宇宙の物質とエネルギーの組成に関する我々の理解に大きな影響を与える可能性があります。

ダークマターの正体解明: HVT modelで予言されるZ'ボソンは、ダークマターと相互作用する可能性があります。もしZ'ボソンが発見され、その性質が明らかになれば、ダークマターの正体解明に大きく近づく可能性があります。
階層性問題への示唆: HVT modelは、標準模型のヒッグス粒子がなぜ軽いのかという階層性問題に対する解決策を提示する可能性があります。Z'ボソン発見は、HVT modelのような標準模型を超える理論の証拠となり、階層性問題の理解を深めることにつながるかもしれません。
宇宙初期のインフレーション機構の解明: HVT modelは、宇宙初期に起こったとされるインフレーションを引き起こした未知の場の候補となりえます。Z'ボゾンの発見は、宇宙初期のインフレーション機構の解明に繋がる可能性も秘めています。
ただし、現時点では信号は観測されておらず、これらの影響はあくまで可能性に過ぎません。今後、実験データの蓄積と解析の進展によって、Z'ボゾンの存在が確認されれば、宇宙の物質とエネルギーの組成に関する我々の理解を大きく前進させる可能性があります。