Study of ZZ and ZH production in the bb$\tau\tau$ final state and search for high-mass spin-0 and spin-1 resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

기술 요약: $bb\tau\tau$ 최종 상태에서의 $ZZ$및$ZH$ 생성 연구와 고질량 공명 탐색

문제 및 동기
힉스 보손($H$)의 발견는 표준 모델(SM)을 검증하였으나, 힉스 자기 결합($\lambda$)과 같은 핵심 매개변수는 여전히 측정되지 않은 상태로 남아 있다. 힉스 보손 쌍($HH$) 생성의 측정은$\lambda$를 제약하는 주요 경로이다.$HH \to bb\tau\tau$ 붕괴 채널은 높은 민감도를 제공하지만, 거대한 배경사건(background)과 복잡한 재구성 등 상당한 실험적 과제에 직면해 있다. 고광도 LHC(HL-LHC)를 위한 분석 전략을 정교화하고 $HH \to bb\tau\tau$ 탐색의 견고함을 개선하기 위해서는, 유사한 위상적 특징을 공유하는 실험적으로 잘 확립된 SM 과정을 연구하는 것이 필요하다. $bb\tau\tau$ 최종 상태에서 $Z$ 보손과 $Z$ 보손($ZZ$) 또는$Z$보손과 힉스 보손($ZH$)의 연관 생성(associated production)은 이상적인 벤치마크 역할을 한다. 이 과정들은 $HH$탐색과 동일한 실험적 과제를 공유하면서도 훨씬 더 큰 단면적을 갖는다($ZZ$의 경우 약 64배,$ZH$의 경우 2.2배 더 큼). 또한, 이 채널들은 싱글렛 모델, 두 개의 힉스 이중항 모델(two-higgs-doublet models), 또는 워프드 엑스트라 디멘션(warped extra dimensions)과 같은 확장된 물리 모델에서 나타날 수 있는 무거운 스핀-0 공명($X \to ZZ$) 및 스핀-1 공명($Z' \to ZH$)을 탐색함으로써 표준 모델 너머의 물리학(BSM)을 조사할 수 있는 독특한 기회를 제공한다.

방법론
본 분석은 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 수집된 CMS 실험의 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 138 fb$^{-1}$, 2016–2018년)를 활용한다. 연구는 세 가지 특정 최종 상태를 대상으로 한다:

1. $ZZ \to bb\tau\tau$ (이하 $ZbbZ\tau\tau$로 표기)
2. $ZH \to (Z \to bb)(H \to \tau\tau)$ (이하 $ZbbH\tau\tau$로 표기)
3. $ZH \to (Z \to \tau\tau)(H \to bb)$ (이 이하 $Z\tau\tau Hbb$로 표기)

이벤트 재구성 및 선택:

• 타우 붕괴 모드: 분석은 가능한 $\tau\tau$ 붕데의 87.6%를 커버하는 세 가지 $\tau\tau$ 붕괴 모드인 $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$, $\tau_h\tau_h$를 고려한다.
• 운동학적 영역(Kinematic Regimes): $\tau\tau$ 및 $bb$ 시스템의 로런츠 부스트(Lorentz boost)에 따라 이벤트를 "resolved"와 "boosted" 영역으로 분류한다.
  • Resolved: AK4 제트($R=0.4$)와 표준 격리(isolation) 기준을 사용한다.
  • Boosted: AK8 제트($R=0.8$)와 밀집된 객체(collimated objects)를 위한 전용 재구성 알고리즘을 사용한다.
• 객체 식별:
  • 제트(Jets): AK4 제트는 DEEPJET 알고리즘(medium working point)을 사용하여 식별된다. AK8 제트는 $Z/H \to bb$ 붕괴를 태깅하기 위해 PARTICLENET 알고리즘(low-purity working point)을 사용하여 식별된다.
  • 타우(Taus): 강입자 타우 후보는 HPS 알고리즘을 통해 재구성되며, DEEPTAU(resolved) 또는 BOOSTEDDEEPTAU(boosted) 알고리즘을 사용하여 식별된다.
  • 경입자(Leptons): 전자와 뮤온은 표준 CMS 기준에 따라 재구성되며, boosted 영역에서는 특정 격리 조정이 적용된다.
• 범주화(Categorization): 이벤트를 $\tau\tau$ 붕괴 채널(3가지)과 재구성 영역($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$, boosted $bb$-boosted $\tau\tau$)에 따라 12개의 상호 배타적인 범주로 분류한다.
• 질량 재구성: $\tau\tau$ 시스템의 불변 질량($m_{\tau\tau}$)은 콜리니어 근사(collinear approximation)와 결측 가로 운동량($p_T^{miss}$)을 사용하는 FASTMTT 알고리즘을 사용하여 재구성된다. $bb$질량($m_{bb}$)은 다제트 불변 질량(dijet invariant mass, resolved) 또는 soft-drop groomed mass(boosted)로부터 유도된다. 신호 후보를 선택하기 위해 $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$ 평면에서 타원형 선택(elliptical selection)이 적용된다.

배경사건 모델링 및 신호 추출:

• 배경사건(Backgrounds): 지배적인 배경사건은 톱 쿼크 쌍 생성($t\bar{t}$) 및 드렐-얀($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$) 과정이다. QCD 멀티젯 배경사건은 데이터 기반의 ABCD 방법을 사용하여 추정한다. 기타 기여(single top, $W$+jets, dibosons)는 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 통해 모델링된다.
• 신호 추출: 신호와 배경사건을 구별하기 위해 심층 신경망(DNN)이 훈련된다.
  • 비공명(Non-resonant): 각 SM 과정($ZZ, ZbbH, Z\tau\tau H$)에 대해 전용 DNN이 훈련된다.
  • 공명(Resonant): 공명 탐색($X \to ZZ, Z' \to ZH$)을 위해, 질량 범위 전체에서 모델 독립적인 한계치를 허용하도록 공명 질량을 입력 파라미터로 사용하는 매개변수화된 신경망이 훈련된다.
• 통계 분석: 모든 범주와 채널의 DNN 출력 분포에 대해 빈(bin) 단위 최대 우도 적합(binned maximum likelihood fit)을 수행한다. 계통 오차(휘도, 객체 식서/에너지 스케일, 이론적 단면적, PDF, MC 통계)는 넌시언스 파라미터(nuisance parameters)로 처리된다.

주요 기여 및 결과

• 최초 측정: 본 연구는 $ZZ \to bb\tau\tau$ 및 $ZH \to bb\tau\tau$ 과정의 첫 번째 측정을 제시한다.
• SM 측정:
  • $ZZ \to bb\tau\tau$의 신호 강도($\mu$)는 $0.10^{+0.70}_{-0.68}(\text{stat})^{+0.83}_{-0.84}(\text{syst})$로 측정되었다.
  • $ZH \to bb\tau\tau$의 신호 강도는 $-1.4^{+1.2}_{-1.1}(\text{stat}) \pm 1.0(\text{syst})$로 측정되었다.
  • 두 결과 모두 표준 모델 예측과 일치한다.
  • $ZZ$의 경우 300 pb에서 24 fb, $ZH$의 경우 0.4 pb에서 12 fb 사이의 95% 신뢰 수준(CL) 상한선이 설정되었다.
• 공명 탐색:
  • 200 GeV – 5 TeV 질량 범위의 무거운 스핀-0 공명($X \to ZZ$)과 500 GeV – 6 TeV 범위의 스핀-1 공명($Z' \to ZH$)에 대한 탐색이 수행되었다.
  • SM 기대치로부터 유의미한 편차는 관찰되지 않았다.
  • 질량 범위 전반에 걸쳐 $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ 및 $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$에 대한 상한선이 설정되었다.
• 민감도 전망: HL-LHC에 대한 전망에 따르면, 계통 오차가 감소한다는 전제하에 $\sim 1$ ab$^{-1}$의 휘도에서 $ZZ \to bb\tau\tau$의 증거(evidence)를, $>2.5$ ab$^{-1}$에서 관측(observation)을 달성할 수 있을 것으로 보인다. $ZH \to bb\tau\tau$ 과정은 여전히 더 까다로우며, 관측을 위해서는 분석 방법과 배경사건 모델링의 상당한 개선이 필요할 것으로 보인다.

의의
본 논문은 $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ 과정을 $bb\tau\tau$ 최종 상태를 위한 유효한 "표준 촛불(standard candles)"로 확립한다. 잘 알려진 과정들을 위해 개발된 분석 기술이 성공적으로 적용될 수 있음을 입증함으로써, 본 연구는 비공명 힉스 보손 쌍 생성($HH \to bb\tau\tau$)의 미래 관측을 위해 필요한 전략을 검증한다. 결과는 이 특정 최종 상태에서 $ZZ$및$ZH$생성에 대한 첫 번째 실험적 제약을 제공하며, 제3세대 페르미온에 대한 결합력의 강화를 탐색하는$bb\tau\tau$채널에서의 무거운 공명에 대한 첫 번째 한계치를 설정한다. 본 분석은$ZZ \to bb\tau\tau$과정이 더 큰 단면적 덕분에$HH \to bb\tau\tau$보다 관측에 더 접근 가능한 경로를 제공하지만, HL-LHC 데이터셋을 완전히 활용하기 위해 반드시 해결해야 할 상당한 배경사건의 도전 과제들이 남아 있음을 확인시켜 준다.