Search for decays of the Higgs boson into scalar particles decaying into four or six $b$-quarks using $pp$ collisions at $\sqrt{s}= 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

기술 요약: 스칼라 입자가 4개 또는 6개의 $b$-쿼크로 붕괴하는 힉스 보손의 붕데 탐색

문제 및 동기
질량이 125 GeV 근처인 힉스 보손($H$)의 발견 이후, 그 특성을 규명하는 것은 LHC 프로그램의 주요 목표로 남아 있다. 표준 모델(SM)은 특정 붕괴 모드를 예측하지만, 힉스 보순의 매우 작은 총 폭($\Gamma_H \approx 4$ MeV)은 새로운 물리학에 대해 매우 민감하게 만든다. 초표준 모델(BSM) 입자와의 미세한 결합조차도 이색적인 붕괴에 대해 상당한 분기비를 초래할 수 있다. 본 논문은 ��к스 보손이 $a$-보손이라 불리는 새로운 가벼운 스칼라 또는 프서도스칼라 입자로 붕괴하는 시나리오를 조사한다. 이러한 시나리오는 확장된 힉스 섹터, 암흑 물질 모델, 그리고 중성 자연성(neutral naturalness) 이론을 포함한 다양한 이론적 틀에서 발생한다.

본 분석은 세 가지 구체적인 붕괴 토폴로지에 집중한다:

1. $H \to 2a \to 4b$: 힉스가 두 개의 동일한 스칼라로 붕괴하며, 각 스칼라는 $b\bar{b}$ 쌍으로 붕괴한다.
2. $H \to a_1 a_2 \to 4b$: 힉스가 서로 다른 질량($m_{a_1} < m_{a_2}$)을 가진 두 스칼라로 붕괴하며, 두 스칼라 모두 $b\bar{b}$로 붕괴한다.
3. $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: 더 무거운 스칼라($a_2$)가 두 개의 더 가벼운 스칼라($a_1$)로 붕괴하여, 최종 상태로 6개의 $b$-쿼크를 생성한다.

탐색 대상은 힉스 보손의 연관 생성 모드인 $Z$ 보손과의 결합 생성($ZH$)이며, 여기서$Z$보손은 트리거 핸들을 제공하고 톱 쿼크 배경사건을 억제한다. 분석은$\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 $12 < m_a < 60$ GeV의 질량 범위를 다룬다.

방법론
본 분석은 ATLAS 검출기에 의해 Run 2(2015–2018) 동안 수집된 140 fb$^{-1}$의 데이터를 활용한다. 이러한 붕괴에서 발생하는 $b$-쿼크의 낮은 횡운동량과 높은 최종 상태 다중도 문제를 해결하기 위해, 본 분석은 여러 혁신적인 재구성 기술을 채택하며 $Z$ 보손의 붕괴 모드($2\ell$은 전하를 띤 경량자, $0\ell$은 중성미자)와 $b$-쿼크 다중도에 따라 이벤트를 분류한다.

• 객체 재구성과 헤비 플레이버 태깅:

  • 병합 영역 ($m_a \lesssim 20$ GeV): 저질량 $a$-보손의 경우, 붕괴 생성물들이 매우 밀집되어 있다. 병합된 $b\bar{b}$ 해드론화를 단일 $b$-제트와 구별하기 위해 대형-$R$ 트랙 제트 내에서 이차 정점(secondary vertex)을 재구성하고 딥 셋 신경망(deep-set neural networks)을 활용하여 "이중 $b$-쿼크" 제트($B$-제트)를 식별하는 전용 알고리즘인 DeXTer가 사용된다.
  • 분해 영역 ($m_a \gtrsim 25$ GeV): 표준 $b$-태깅 알고리즘(DL1r)이 개별 $b$-제트를 식별한다.
  • 연약한 이차 정점 (Soft Secondary Vertices): 고다중도 최종 상태에 대한 민감도를 높이기 위해, 제트 외부에서 재구성된 연약한 이차 정점(soft-v)을 활용하여 제트를 형성하지 않는 $b$-해드론 붕괴를 포착한다.
  • $b$-객체: $B$-제트(두 개의 $b$-객체 생성), 표준 $b$-제트, 그리고 연약한 정점을 모두 포함하는 통합된 "$b$-객체" 개념이 도입된다.

• 이벤트 선택 및 분류:

  • $2\ell$ 채널: 두 개의 동일한 맛(flavor)과 반대 전하를 가진 경량자를 포함하는 이벤트가 선택된다. 네 개의 $b$-객체($B$-제트, $b$-제트, 또는 soft-v로부터 유래)의 최적 조합을 식별하기 위해 **사중항 선택 신경망(quadruplet selection NN)**이 훈련되며, 이 NN은 $b$-객체와 $a$-보손의 순열에 대해 불변이다.
  • $0\ell$ 채널: 큰 결측 횡운동량($E_T^{miss}$)을 가진 이벤트가 선택된다. 이 채널은 $H \to 2a \to 4b$ 탐색을 위해서만 독점적으로 사용된다. 이벤트는 $B$-제트와 $b$-제트의 수에 따라 분류된다.
  • $6b$ 탐색: $H \to a_1 a_2 \to 6b$ 토폴로지의 경우, 완전한 재구성은 드물다. 대신, 모든 6개의 $b$-쿼크를 식별하려고 시도하는 대신 재구성된 $b$-객체의 다중도를 기준으로 이벤트를 분류한다.

• 배경사건 추정 및 판별:

  • 주요 배경사건은 $Z$+jets 및 $t\bar{t}$ 생성이다. 헤비 플레이버 제트 다중도 및 운동학적 특성(예: $H_T$ 및 $p_T^Z$)의 모델링 오류를 처리하기 위해 데이터 기반 보정이 MC 시뮬레이션에 적용된다.
  • $0\ell$ 채널의 경우, $E_T^{miss}$와 $a$-후보 사이의 방위각 분리에 기초한 ABCD 방법을 사용하여 QCD 다중 제트 배경사건을 추정한다.
  • 신호 판별은 감소 질량($m_{red}$), 각도 분리, 그리고 사중항 선택 NN 점수와 같은 운동학적 변수에 대해 훈련된 부스트 결정 트리(BDT)를 통해 수행된다.

주요 기여

1. 혁신적인 재구성 기술: 저질량 병합 $B$-제트를 위한 DeXTer 알고리즘의 적용과 연약한 이차 정점의 포함은 저질량 영역($m_a < 20$ GeV) 및 고다중도 최종 상태에 대한 민감도를 크게 향상시킨다.
2. 이색 붕괴에 대한 첫 $0\ell$ 탐색: 이는 $0\ell$(중성미자) 채널을 활용하여 $ZH$생성 모드에서 이색 힉스 붕괴를 탐색하는 첫 번째 연구로,$2\ell$ 채널에 대한 보완적인 조사를 제공한다.
3. 확장된 토폴로지 범위: 본 분석은 전체 질량 범위 $12 < m_a < 60$ GeV에 대해 $H \to a_1 a_2 \to 6b$ 토폴로지와 서로 다른 스칼라 질량을 가진 $H \to a_1 a_2 \to 4b$ 토폴로지를 탐색하는 최초의 연구이다.
4. 포괄적 결합: $0\ell$ 채널과 $2\ell$ 채널을 결합하여, 직교하는 신호 영역과 공유된 계통 오차 모델을 활용함으로써 민감도를 극대화한다.

결과
어떠한 탐색 채널에서도 표준 모델 배경사건 기대치 이상의 유의미한 과잉 현상이 관찰되지 않았다. 결과적으로, 생산 단면적의 표준 모델 예측 대비 비율($\sigma(ZH)/\sigma_{SM}(ZH) \times \mathcal{B}$)에 대해 95% 신뢰 수준(CL) 상한선이 설정되었다:

• $H \to 2a \to 4b$: $12 \le m_a \le 60$ GeV 범위에서 상한선은 4%에서 25% 사이이다. $0\ell$ 채널과 $2\ell$ 채널의 결합은 $m_a = 12$ 및 16 GeV에서 $2\ell$ 채널 단독 사용 시보다 약 15% 개선된 상한선을 제공한다.
• $H \to a_1 a_2 \to 4b$: 테스트된 질량 가설들에 대해 상한선은 24%에서 38% 사이이다.
• $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: 테스트된 질량 가설들에 대해 상한선은 10%에서 20% 사이이다.

배경사건-만(background-only) 가설로부터의 가장 큰 국소적 편차는 $m_a = 25$ GeV인 $H \to 2a \to 4b$ 케이스와 $(m_{a_1}, m_{a_2}) = (50, 70)$ GeV인 $H \to a_1 a_2 \to 4b$ 케이스의 $2\ell$ 채널에서 관찰되었다(각각 국소 유의도 $2.83\sigma$ 및 $3.28\sigma$). 그러나 전역 유의도(각각 $2.04\sigma$ 및 $2.57\sigma$)는 발견 임계값보다 낮게 유지되었다.

의의
본 연구는 더 큰 데이터셋과 고급 헤비 플레이버 재구성 알고리즘을 통합함으로써, 질량 가설에 따라 이전 ATLAS 탐색의 $H \to 2a \to 4b$ 민감도를 5~15배 확장했다. $6b$ 최종 상태와 $0\ell$ 생성 모드를 탐색함으로써, 본 분석은 가벼운 스칼라로의 힉스 붕괴에 대한 매개변수 공간의 미개척 영역을 조사한다. 이 결과는 확장된 힉스 섹터 및 숨겨진 섹터 입자를 예측하는 모델들에 대해 엄격한 제약을 제공하며, 힉스 보손의 특성을 규명하고 새로운 물리학을 찾는 광범위한 프로그램에 기여한다.