[論文レビュー] Measurement of the $H ightarrow \gamma \gamma $ and $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4 \ell $ cross-sections in pp collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2934 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、√s = 13.6 TeVのpp衝突におけるヒッグスボソン生成断面積の最初のATLAS測定を提示する。それぞれのH → γγおよびH → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルに31.4 fb⁻¹および29.0 fb⁻¹のデータを用いた。検出器のアンフォールディングを経て全位相空間に補正した断面積が測定され、合計断面積は58.2 ± 8.7 pbとなり、標準模型予測の59.9 ± 2.6 pbと非常に良好に一致している。

ABSTRACT

The inclusive Higgs boson production cross-section is measured in the di-photon and the $ZZ^* o 4 \ell$ decay channels using 31.4 and 29.0 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data respectively, collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13.6$ TeV. To reduce the model dependence, the measurement in each channel is restricted to a particle-level phase space that closely matches the channel's detector-level kinematic selection, and it is corrected for detector effects. These measured fiducial cross-sections are $σ_{\mathrm{fid},γγ} = 76^{+14}_{-13}$ fb, and $σ_{\mathrm{fid},4 \ell} = 2.80 \pm 0.74$ fb, in agreement with the corresponding Standard Model predictions of $67.6 \pm 3.7 $ fb and $3.67 \pm 0.19 $ fb. Assuming Standard Model acceptances and branching fractions for the two channels, the fiducial measurements are extrapolated to the full phase space yielding total cross-sections of $σ(pp o H) = 67^{+12}_{-11}$ pb and $46 \pm 12$ pb at $13.6$ TeV from the di-photon and $ZZ^* o 4 \ell$ measurements respectively. The two measurements are combined into a total cross-section measurement of $σ(pp o H)= 58.2 \pm 8.7$ pb, to be compared with the Standard Model prediction of $σ(pp o H)_\mathrm{SM} = 59.9 \pm 2.6 $ pb.

研究の動機と目的

• 新しいLHCの中心系エネルギー13.6 TeVにおけるヒッグスボソン生成断面積を、H → γγおよびH → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルで測定すること。
• 検出器レベルの選択基準に一致する断面積位相空間に制限することでモデル依存性を低減し、アンフォールディングにより検出器効果を補正すること。
• 標準模型の崩壊分岐比および受容率を用いて、断面積を断面積位相空間から全位相空間に補正すること。
• 2つの崩壊チャンネルの測定結果を統合し、より精度の高い総ヒッグスボソン生成断面積を求める。
• これまでで最も高いエネルギーにおけるヒッグスボソンの性質が標準模型予測と整合するかを検証すること。

提案手法

• √s = 13.6 TeVでATLAS検出器が収集した31.4 fb⁻¹および29.0 fb⁻¹のpp衝突データの使用。
• 検出器レベルの要件にできるだけ近い粒子レベルの運動量基準に基づくイベント再構築と選択を行い、モデル依存性を最小限に抑える。
• H → γγおよびH → ZZ* → 4ℓチャンネルの両方で再構築されたインバリアント質量スペクトルにフィット手順を適用し、信号生成を抽出する。
• 正確なヒッグスボソン質量（125.09 ± 0.24 GeV）を用いたシミュレートイベントと検出器応答補正を用いた信号モデル化。
• データ駆動型手法とシミュレーションによるバックグラウンドモデル化。検出器分解能、キャリブレーション、効率などの主な要因について、システム的不確実性を評価。
• 検出器効果のアンフォールディングにより断面積位相空間断面積を抽出し、その後標準模型の崩壊分岐比および受容率を用いて全位相空間に補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13.6 TeVにおけるH → γγ崩壊チャンネルでのヒッグスボソン生成断面積の断面積位相空間断面積は何か？
• RQ2 √s = 13.6 TeVにおけるH → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルでのヒッグスボソン生成断面積の断面積位相空間断面積は何か？
• RQ3 各崩壊チャンネルの断面積位相空間断面積は、全位相空間における総生成断面積にどのように補正されるか？
• RQ4 2つの崩壊チャンネルから得られる合計ヒッグスボソン生成断面積は何か？また、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ5 測定されたヒッグスボソン生成断面積は、13.6 TeVにおける標準模型の予測と整合的か？

主な発見

• H → γγの断面積位相空間断面積はσfid,γγ = 76+14−13 fbとして測定され、標準模型予測の67.6 ± 3.7 fbと整合的である。
• H → ZZ* → 4ℓの断面積位相空間断面積はσfid,4ℓ = 2.80 ± 0.74 fbとして測定され、標準模型予測の3.67 ± 0.19 fbと整合的である。
• H → γγチャンネルからの全断面積補正はσ(pp → H) = 67+12−11 pbであり、H → ZZ* → 4ℓチャンネルからの補正は46 ± 12 pbである。
• 2つのチャンネルを統合した合計断面積は58.2 ± 8.7 pbとして測定され、標準模型予測の59.9 ± 2.6 pbと非常に良好に一致している。
• 測定された断面積は13.6 TeVにおける標準模型の予測から顕著なずれを示さず、ヒッグスボソン生成の標準模型記述を支持する。
• 本結果は、新しい13.6 TeV中心系エネルギーにおけるヒッグスボソン生成の断面積位相空間および全断面積測定の最初のものである。