CMS上通过双光子末态寻找非标准模型希格斯粒子等新共振态

In this researching program, proton-proton collisions with sqrt(s)=13TeV collected by CMS detector from the Large Hadron Collider (LHC) experiment at European Organization for Nuclear Research (CERN) will be used to search for Beyond Standard Model Higgs and other resonances in the diphoton final state. By analyzing the 13TeV pp collision data with an integrated luminosity of about 100/fb, we will try to find any evidence or observation of new resonances in the diphoton final state, predicted by Beyond Standard Models such as the lightest scalar Higgs boson from the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model and the graviton from the Randall-Sundrum (RS) model in the Extra Dimensions theory. Or we can set limits for the new resonnant particles predicted by these Beyond Standard Models.

本研究将利用欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）第二运行阶段（Run2）CMS探测器收集到的13TeV的质子-质子（pp）对撞数据、通过双光子末态寻找新的共振态，包括非标准模型的希格斯（Higgs）粒子等。项目研究目标是希望通过13TeV的大约100/fb的数据分析，看能否找到非标准模型预言包括次最小超对称模型预言的最轻标量希格斯粒子和额外维理论Randall-Sundrum模型预言的引力子等新的双光子共振态存在的证据或者迹象，或者为相关超标准模型理论预言做出限制。

LHC上希格斯粒子的发现，使粒子物理学标准模型（SM）更加完善。但标准模型不能解释引力相互作用、中微子质量、规范等级、宇宙中的暗物质和暗能量以及重子不对称等问题，而LHC上希格斯粒子的测量结果也不能排除这个希格斯粒子属于其他超标准模型（BSM）的可能性。一些超标准理论模型，比如次最小超对称模型（NMSSM）或者双希格斯二重态模型(2HDM)，在保证125GeV希格斯存在的同时预言了额外的希格斯粒子。因此，寻找额外的希格斯粒子是寻求对标准模型突破的最有效方法之一。LEP实验2003年寻找希格斯粒子的研究结果表明在质量98GeV处有大约2.3σ的超出，也为本项目利用LHC上CMS探测器收集到的数据寻找可能存在的新共振态，提供了重要的实验支持。本项目利用CMS探测器2016年收集到的13TeV、35.9fb-1质子-质子碰撞数据，通过双光子末态在双光子不变质量70-110GeV的范围内，开展了与标准模型希格斯玻色子类似的新共振态的寻找工作。研究结果表明，没有发现明显的共振态存在的迹象（>3σ），观测到的最大显著性为95.3GeV质量处的2.9σ超出。同时给出了95%置信水平上双光子截面与分支比乘积的预期和观测上限结果，测量到的截面乘以分支比上限范围为26-161fb。结合申请者利用CMS 2012年收集到8TeV、19.7fb-1质子-质子碰撞数据寻找新共振态的结果，该项目申请者开展了2012年和2016年数据的联合分析。联合分析结果表明，在双光子不变质量80-110GeV的范围内，没有发现明显的共振态存在的迹象，观测到的最大显著性为95.3GeV质量处的2.8σ超出。该项目公布的共振态寻找结果入选了粒子物理权威Particle Data Group的2017年总结，同时引起了粒子物理理论和实验界的同行们的广泛关注和讨论。同时，该项目基于以上8TeV以及13TeV的共振态寻找结果，利用超标准模型理论2HDM和NMSSM分别对实验结果进行了理解，实验新共振态寻找结果并没有完全排除超标准理论模型2HDM和NMSSM。