[論文レビュー] Measurement of the Higgs boson inclusive and differential fiducial production cross sections in the diphoton decay channel with pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2400 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験が収集した √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 137 fb⁻¹ を用いて、ヒッグスボソンの二光子崩壊チャンネルにおける包含的および微分的フィデューシャル断面積について、これまでで最も高い精度の測定を提示している。改良されたシミュレーション補正方式と高度な再構築技術を採用することで、複数の運動量観測量においてモデルに依存しない高精度な測定が達成され、その結果は75.4 ± 4.1 fbの標準模型理論予測と整合的である。

ABSTRACT

The measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson decaying to a pair of photons are presented. The analysis is performed using proton-proton collisions data recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{−1}$. The inclusive fiducial cross section is measured to be $ {\sigma}_{ extrm{fid}}={73.4}_{-5.3}^{+5.4}{\left( extrm{stat} ight)}_{-2.2}^{+2.4}\left( extrm{syst} ight) $ fb, in agreement with the standard model expectation of 75.4 ± 4.1 fb. The measurements are also performed in fiducial regions targeting different production modes and as function of several observables describing the diphoton system, the number of additional jets present in the event, and other kinematic observables. Two double differential measurements are performed. No significant deviations from the standard model expectations are observed.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV での陽子-陽子衝突におけるヒッグスボソンの二光子崩壊の包含的および微分的フィデューシャル断面積を測定すること。
• 理論的仮定にあまり依存しない、モデルに依存しないフィデューシャル断面積測定を提供すること。
• 従来の測定を拡張し、運動量観測量のビン数を約2倍に増加させ、精度を向上させること。
• ϕ∗η および τjC を新たな微分的測定の関数として導入し、既存の二光子の横運動量測定を補完すること。
• 二光子の横運動量とジェット多重度、および二光子の横運動量と τjC の両方のビンに分けた二重微分的測定を実施し、生成ダイナミクスへの感度を向上させること。

提案手法

• LHCラン2中におけるCMS検出器が収集した √s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 137 fb⁻¹ を使用する。
• 電磁シャワーのモデル化に関する主な実験的系arnessの影響を低減するため、新たに開発されたシミュレーション補正方式を適用する。
• 検出器の受容性に基づいてフィデューシャル領域を定義し、イベントごとの質量分解能推定器を用いて信号候補をカテゴリ化する。
• 光子、ジェット、イベントレベルの観測量に対して、高度な再構築およびキャリブレーション技術を適用する。これには、粒子フロー再構築と反-kTアルゴリズムを用いたジェットクラスタリングが含まれる。
• XGBoost やマルチターゲット回帰などの機械学習技術を用いて、イベント分類の精度とバックグラウンド抑制を向上させる。
• 二光子系の運動量、ジェットの横運動量、二ジェット系、および ϕ∗η や τjC を含むイベントレベルの変数といった、複数の観測量における微分的測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV での陽子-陽子衝突におけるヒッグスボソンの二光子崩壊の包含的フィデューシャル断面積は何か？
• RQ2 微分的フィデューシャル断面積は、二光子の横運動量、ジェット多重度、その他の運動量観測量に対してどのように変化するか？
• RQ3 異なるフィデューシャル領域および観測量において、測定された断面積は標準模型理論の予測からどの程度ずれているか？
• RQ4 新しい観測量 ϕ∗η および τjC は、従来の pT に基づく測定と比較して、ヒッグスボソン生成ダイナミクスへの感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 同様の最終状態を用いた従来のCMS解析と比較して、フィデューシャル断面積測定の精度はどの程度向上したか？

主な発見

• 包含的フィデューシャル断面積は σfid = 73.4+5.4−5.3 (統計)+2.4−2.2 (系arness) fb と測定され、75.4 ± 4.1 fb の標準模型理論予測と良好に一致している。
• 従来のCMS発表と比較して、大多数の観測量のビン数を約2倍に増加させ、分解能と精度を顕著に向上させた。
• フィデューシャル測定および微分的測定のすべてにおいて、標準模型理論の予測からの顕著なずれは観測されず、ϕ∗η や τjC といった新たな観測量の測定結果も含めて同様である。
• 二光子の横運動量とジェット多重度、および二光子の横運動量と τjC の両方のビンに分けた二重微分的断面積が測定され、ヒッグス生成メカニズムに対する新たな制約が得られた。
• 新たなシミュレーション補正方式により、従来の測定で主要な系arness要因であった電磁シャワーのモデル化不確実性の影響が効果的に低減された。
• 本結果は、これまでで最も精度の高い H →γγ フィデューシャル断面積測定であり、簡略化テンプレート断面積（STXS）フレームワークとは対照的に、モデルに依存しないベンチマークとして機能する。