[論文レビュー] Fiducial and differential cross-section measurements for the vector-boson-fusion production of the Higgs boson in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ decay channel at 13 $ ext{TeV}$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2967 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS Run 2の139 fb$^{-1}$のデータを用いて、$√{s} = 13$ TeVにおけるベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグスボソン生成の、初めての統合的および微分的フィデューシャル断面積測定を提示する。この測定では、VBF信号の有意水準が5.1$σ$に達し、次元6の有効場理論の演算子を用いて異常なヒッグス結合を制約した。

ABSTRACT

The vector-boson production cross-section for the Higgs boson decay in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ channel is measured as a function of kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay properties as well as integrated in a fiducial phase space. The analysis is performed using the proton--proton collision data collected by the ATLAS detector in Run 2 of the LHC at $\sqrt{s}= 13$$ ext{TeV}$ center-of-mass energy, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The opposite lepton flavor final state is studied by selecting an electron and a muon originating from a pair of $W$ bosons and compatible with the Higgs boson decay. The data are corrected for the effects of detector inefficiency and resolution, and the measurements are compared with different state-of-the-art theoretical predictions. The differential cross-sections are used to constrain anomalous interactions described by dimension-six operators in an Effective Field Theory.

研究の動機と目的

• 13 TeVにおける$H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$崩壊チャンネルでのベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグスボソン生成のフィデューシャル断面積を測定すること。
• ヒッグス生成および崩壊ダイナミクスに敏感な運動量変数の関数としての微分的断面積測定を実施すること。
• 次元6の演算子を用いた有効場理論を用いて、異常なヒッグスボソン結合を制約すること。
• イベント選択およびバックグラウンド抑制の最適化により、VBFヒッグス信号抽出の精度を向上させること。

提案手法

• 分析には、ATLAS検出器がRun 2期間に収集した13 TeVでの$pp$衝突データ139 fb$^{-1}$が使用された。
• 信号イベントは、電磁レプトンとミューオンが逆電荷であり、方位角方向に近接しており、$H \to WW^*$崩壊と整合する条件を満たすことで選択された。
• レプトンの運動量要件、$b$-ジェットの禁止、およびジェットの横断的運動量、インヴァリアント質量、急速度差分離に関する追加カットを通じてバックグラウンド抑制が達成された。
• 2つのエネルギーの高いジェットが大きな急速度ギャップと高い二ジェットインヴァリアント質量を持つことを要件とすることで、VBFトポロジーが強化された。
• マルチバリアブル判別子の同時ビン化尤度フィットを用いて信号を抽出し、コントロール領域を用いてバックグラウンド正規化係数を制約した。
• 系統的不確実性は、検出器効果、バックグラウンドモデル、理論的入力に関する専用の研究を通じて評価され、パラメータ間の相関は相関行列を用いて定量化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおける$H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$崩壊チャンネルでのVBFヒッグスボソン生成の統合的フィデューシャル断面積は何か？
• RQ2 レプトンの横断的運動量、二レプトンインヴァリアント質量、ジェットの角度的分離といった運動量変数に関して、微分的フィデューシャル断面積はどのように変化するか？
• RQ3 測定された断面積は、標準模型を越えた異常なヒッグスボソン結合をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 有効場理論の文脈において、最新の理論的予測と結果はどのように比較されるか？

主な発見

• VBF $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$の統合的フィデューシャル断面積は$1.20 \pm 0.24$ pbと測定され、標準模型の予測と整合的であった。
• 信号の有意水準は5.1$σ$に達し、この最終状態におけるVBFヒッグスボソン生成の観測が確認された。
• レプトンおよびジェットの運動量変数、$p_T^{\ell_1}$、$p_T^{\ell_2}$、$m_{\ell\ell}$、$|\Delta y_{\ell\ell}|$、$|\Delta\phi_{\ell\ell}|$、および$\cos(\theta^*_{\eta})$のビンごとの微分的断面積が測定され、統計的および系統的不確実性が報告された。
• 測定された断面積は、標準模型の予測および最新の理論的計算と良好に一致した。
• バックグラウンド正規化係数と微分的断面積の間の相関行列が提供され、特に$Z+jets$と$VV+top$バックグラウンドの間で中程度から強い相関が示された。
• 次元6の有効場理論演算子を用いて異常なヒッグス結合の制約が導かれたが、結果は不確実性の範囲内で標準模型と整合的であった。