Search for a light pseudoscalar Higgs boson in final states with boosted muon pairs and tau lepton pairs in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

기술 요약: Boosted $\mu\mu\tau\tau$ 최종 상태에서의 가벼운 의사 스칼라(Pseudoscalar) 힉스 보손 탐색

문제 및 동기
본 논문은 스칼라 힉스 보손($H$)의 붕괴 과정에서 생성되는 가벼운 의사 스칼라 힉스 보손($a$), 즉 $H \to aa \to \mu\mu\tau\tau$ 과정을 탐색하는 연구를 제시한다. 이 분석은 $H$가 표준 모형(SM) 힉스 보손($m_H = 125$ GeV)이거나, NMSSM 및 2HDM+S와 같은 힉스 섹터의 확장에서 예측되는 더 무거운 스칼라 상태($m_H = 250\text{--}1000$ GeV)인 시나리오를 대상으로 한다.

이 탐색의 주요 과제는 운동학적 영역이다. $H$와 가벼운 의사 스칼라 $a$ 사이의 큰 질량 차이로 인해, $a$의 붕괴 생성물들은 매우 높은 로런츠 부스트(Lorentz boost)를 받으며 밀집(collimated)된다. 이러한 토폴로지는 타우 레프톤 쌍의 붕괴 생성물들을 상당 부분 중첩시켜, 표준 CMS 타우 레프톤 재구성 알고리즘의 효율성을 저하시키는 원인이 된다. 기존의 탐색들은 분해된(resolved) 토폴로지나 특정 붕괴 채널에 집중했으나, 본 분석은 고도로 부스트되어 단일 제트로 재구성되는 $\tau\tau$를 포함하여, 운동학적으로 접근 가능한 전체 범위의 $a \to \tau\tau$ 붕괴를 다루는 것을 목표로 한다.

방법론
본 분석은 2016년부터 2018년까지 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 CMS 실험을 통해 수집된 138 fb$^{-1}$의 적분 휘도를 가진 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다. 탐색 대상 최종 상태는 $\mu\mu\tau\tau$이며, 여기서 하나의 의사 스칼라는 디뮤온 쌍으로 붕괴하고($a \to \mu\mu$), 다른 하나는 타우 쌍으로 붕괴한다($a \to \tau\tau$). $\tau\tau$ 시스템은 $\tau_\mu\tau_e$, $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$, 그리고 $\tau_h\tau_h$ ($\tau_h$는 강입자 타우 붕괴를 의미)의 네 가지 붕괴 채널로 분석된다.

주요 방법론적 발전 사항은 다음과 같다:

1. 전용 재구성 알고리즘: 부스트된 타우 쌍의 밀집 현상을 해결하기 위해, 본 분석은 $\tau_\mu\tau_h$ 및 $\tau_e\tau_h$ 채널에 대해 수정된 재구성 기술을 사용한다. 이는 표준 HPS 알고리즘을 적용하기 전에 중첩된 뮤온이나 전자를 제거함으로써 제트 시드(jet seed)를 수정하는 방식을 포함한다.
2. 심층 신경망 (DEEPDITAU): 단일 AK4 제트로 재구성되는 밀집된 $\tau_h\tau_h$ 쌍을 식별하기 위해 설계된 심층 신경망 태거인 DEEPDITAU 개발이 중요한 혁신이다. 이 네트워크는 제트를 경량 쿼크/글루온, 바텀 쿼크, 그리고 $\tau_h\tau_h$ 쌍으로 분류하며, QCD 제트에 대한 오탐율(mistag rate) 1%에서 70%의 신호 태깅 효율을 달행한다.
3. 이벤트 선택 및 배경 추정: 두 개의 고립된 뮤온과 하나의 타우 쌍 후보를 요구하는 이벤트가 선택된다. 지배적인 배경은 제트가 타우로 오인되는 드라엘-얀(Drell-Yan) $\mu\mu$ 생성이며, 이는 제어 영역에서 유도된 "tight-to-loose" 비율 방법을 사용하여 데이터로부터 직접 추정된다.
4. 통계 분석: 디뮤온 불변 질량($m_{\mu\mu}$)과 4체 가시 질량($m_{\mu\mu\tau\tau}$) 분포에 대해 2차원 비정렬 최대 가능도 적합(unbinned maximum likelihood fit)을 수행한다. 신호는 $m_{\mu\mu}$에서는 좁은 공명(resonance)으로, $m_{\mu\mu\tau\tau}$에서는 넓은 분포로 모델링된다.

주요 기여

• 이 맥락에서의 부스트된 $\tau_h\tau_h$에 대한 첫 제한: 본 연구는 전용 딥 러닝 태거를 사용하여 부스트된 의사 스칼라 탐색을 위한 $\tau_h\tau_h$ 최종 상태를 성공적으로 포함한 최초의 LHC 분석이며, 이를 통해 이론적으로 접근 가능한 $a \to \tau\tau$ 붕괴의 94%를 커버하고 이 채널에 대한 상한선을 최초로 설정하였다.
• 질량 도달 범위 확장: 본 분석은 이전 탐색들을 낮은 의사 스칼라 질량($m_a$ 최소 3.6 GeV)까지 확장하며, 부스트된 토폴로지에 대해 $\mu\mu\tau\tau$ 채널에서 이전에 조사되지 않았던 무거운 스칼라 질량($m_H$ 최대 1 TeV)까지 조사한다.
• 효율 개선: $\tau_\mu\tau_h$ 및 $\tau_e\tau_h$ 채널을 위한 수정된 재구성 기술은 특히 부스트가 가장 높은 낮은 $m_a$ 영역에서 표준 HPS 알고리즘에 비해 신호 효율을 최대 2~4배까지 크게 향상시킨다.

결과
데이터에서 표준 모형 배경에 대한 유의미한 과잉(excess)은 관찰되지 않았다. 결과적으로, 생성 단면적 곱과 분기비의 비율에 대한 모델 독립적인 95% 신뢰 수준(CL) 상한선, 즉 $\sigma_H \times \mathcal{B}(H \to aa \to \mu\mu\tau\tau) / \sigma_{\text{SM}}$에 대한 상한선이 설정되었다.

• $m_H = 125$ GeV의 경우: 의사 스칼라 질량이 3.6 GeV에서 21 GeV 사이일 때 상한선은 $5 \times 10^{-5}$에서 $2.7 \times 10^{-4}$ 사이이다.
• $m_H = 1$ TeV의 경우: 의사 스칼라 질량이 3.6 GeV에서 50 GeV 사이일 때 상한선은 $3.5 \times 10^{-4}$에서 $1.5 \times 10^{-3}$ 사이이다.
• 모델 해석: 결과는 2HDM+S 모델(Type I, II, III, IV)의 맥락에서 해석되었다. Type-I 및 Type-II 모델의 경우, 본 결과는 $3.6 < m_a < 4.2$ GeV 범위에서 $\mathcal{B}(H \to aa)$에 대한 현재까지 가장 엄격한 제한을 제공한다. Type-III 모델의 경우, $13 < m_a < 15$ GeV 범위에서 이전 결과보다 개선된 제한을 보여준다.

의의
본 논문은 특히 부스트된 토폴로지가 지배적인 낮은 $m_a$ 영역에서 이전의 CMS 및 ATLAS 탐색을 통해 얻은 배제 한계를 유의미하게 확장한다고 주장한다. 여러 타우 붕괴 채널을 결합하고 DEEPDITAU 태거를 도입함으로써, 본 분석은 $m_H = 125$ GeV에 대해 이전의 부스트 탐색(예: Ref. [47])보다 2~5배 높은 민감도 향상을 달성하였다. 나아가, 본 연구는 전체 Run 2 데이터셋을 사용하여 두 개의 즉각 붕괴하는 의사 스칼라로 붕가되는 무거운 중성 스칼라($m_H \le 1$ TeV)에 대한 첫 번째 탐색으로서, 가벼운 의사 스칼라를 예측하는 확장된 힉스 섹터 모델들에 대한 결정적인 제약을 제공한다.