[論文レビュー] Measurement of the $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{H} $ and tH production rates in the H →$ extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ decay channel using proton-proton collision data at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan+2383 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突において138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、トップクォーク対とともに生成されるヒッグスボソン（ttH）およびシングルトップクォークとともに出るヒッグスボソン（tH）の生成断面積を測定した。ttH生成率は標準模型予測の0.33 ± 0.26倍に決定され、tH生成率については95%信頼水準で標準模型予測の14.6倍という上限が設定された。両過程を同時に抽出することで、トップ-ヒッグス結合の強さとCP構造をプローブした。

ABSTRACT

An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$H) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H $ o$$\mathrm{b\bar{b}}$) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The observed $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 $\pm$ 0.26 = 0.33 $\pm$ 0.17 (stat) $\pm$ 0.21 (syst). Additionally, the $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of 19.3$^{+9.2}_{-6.0}$. Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるH → bb崩壊チャンネルでのトップクォーク対（ttH）およびシングルトップクォーク（tH）と関連して生成されるヒッグスボソンの生成断面積を測定すること。
• ttHおよびtH生成率を同時に抽出することにより、トップ-ヒッグス結合の強さとCP構造をプローブすること。
• トップ-ヒッグスヤヌーグ結合におけるずれを制約することで、標準模型を超える新しい物理の感度を高めること。
• 他のヒッグス崩壊チャンネルの測定結果と組み合わせることで、トップ-ヒッグス結合の制約を強化すること。

提案手法

• 2016–2018年の間、CMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 最終状態にレプトン（電子またはミュオン）、ジェット、bジェットを含むイベントを選別し、H → bb崩壊は高度なジェットおよびbタギングアルゴリズムを用いて再構築する。
• イベントの運動量構造を信号およびバックグラウンドの確率密度関数と比較することで、信号とバックグラウンドを区別するための行列式法を用いる。
• ttH生成断面積を測定するために、簡略化されたテンプレート断面積（STXS）フレームワークを適用し、ヒッグスボソンの横方向運動量（pT）領域ごとに分析する。
• 系統的不確実性は、制御領域、シミュレーションから得られる補正、およびジェットエネルギースケール、bタギング効率、積層（プイルアップ）に対するデータ駆動型技術を用いて評価する。
• ttHおよびtH生成断面積を同時に抽出できるように、統合フィットを実行する。これにより、トップ-ヒッグス結合の強さとCP構造に対する制約が得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H → bb崩壊チャンネルにおけるttH生成率は、標準模型予測に対してどの程度か？
• RQ2 標準模型のttH生成率を仮定した場合、tH生成率に対する95%信頼水準での上限は何か？
• RQ3 ttHおよびtH生成率の同時測定により、トップ-ヒッグス結合の強さとCP構造はどのように制約されるか？
• RQ4 これらの結果は、標準模型を超える新しい物理にどのような意味を持つか？

主な発見

• 観測されたttH生成率は、標準模型予測の0.33 ± 0.26倍であり、統計的不確実性と系統的不確実性はそれぞれ±0.17および±0.21である。
• tH生成率に対する95%信頼水準での上限は14.6倍（標準模型予測）であり、予想される上限は19.3+9.2−6.0倍（標準模型予測）である。
• ttHおよびtH生成率を同時に抽出することで、トップ-ヒッグス結合の強さとCP構造に対する制約が得られ、結合におけるCP奇性混合成分のプローブが可能になった。
• 他のヒッグス崩壊チャンネルからの測定結果と組み合わせることで、トップ-ヒッグスヤヌーグ相互作用におけるずれに対する感度が向上した。
• H → bbチャンネルにおけるttH生成率の有意水準は4.6標準偏差に達し、以前の結果を上回った。
• 大規模なQCDバックグラウンドが存在する中でも、主なH → bb崩壊モードにおける正確なトップ-ヒッグス結合測定の実現可能性が示された。