[論文レビュー] Measurement of the Higgs boson mass in the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ decay channel using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions recorded by the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器が2015年から2018年までに収集した139 fb⁻¹の13 TeV陽子-陽子衝突データを用いて、ヒッグスボソン質量の高精度測定を提示している。主な焦点はH → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルである。新たに開発されたミュオン運動量補正、バックグラウンド識別に用いられる深層ニューラルネットワーク、およびイベントごとのインヴァリアント質量分解能モデルを採用することで、測定されたヒッグスボソン質量は124.99 ± 0.18（統計）± 0.04（系誤差）GeVとなり、以前の結果と比較して不確実性が顕著に低減された。

ABSTRACT

The mass of the Higgs boson is measured in the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ decay channel. The analysis uses proton-proton collision data from the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector between 2015 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The measured value of the Higgs boson mass is $124.99\pm0.18 ext{(stat.)}\pm0.04 ext{(syst.)}$ GeV and is based on improved momentum-scale calibration for muons relative to previous publications. The measurement also employs an analytic model that takes into account the invariant-mass resolution of the four-lepton system on a per-event basis and the output of a deep neural network discriminating signal from background events. This measurement is combined with the corresponding measurement using 7 and 8 TeV $pp$ collision data, resulting in a Higgs boson mass measurement of $124.94\pm0.17 ext{(stat.)}\pm0.03 ext{(syst.)}$ GeV.

研究の動機と目的

• LHCのRun 2データを用いて、H → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルにおけるヒッグスボソン質量の測定精度を向上させること。
• 向上した補正法と高度な解析手法により、系統的および統計的不確実性を低減すること。
• 深層ニューラルネットワーク分類器を用いて、信号とバックグラウンドの識別を改善すること。
• より正確な質量再構築のため、尤度モデルにイベントレベルのインヴァリアント質量分解能を組み込むこと。
• この結果を以前のRun 1測定結果と統合し、ヒッグスボソン質量のより正確なグローバルな値を求めること。

提案手法

• 2015年から2018年までにATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いる。
• ミュオンチャンネルにおける系統的不確実性を低減するために、新しい高精度ミュオン運動量スケール補正を適用する。
• 信号H → ZZ* → 4ℓイベントとバックグラウンドプロセスを区別するため、深層ニューラルネットワークを用いる。
• 解析尤度フィットにおいて、4レプトンインヴァリアント質量分解能をイベントごとにモデル化する。
• 再構築されたm₄ₗ分布をmHの関数として記述する解析的モデルを用い、観測データにフィットする。
• Run 2の結果を以前のATLAS Run 1測定結果と統合し、統合されたヒッグスボソン質量値を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルRun 2データを用いたH → ZZ* → 4ℓ崩壊チャンネルにおけるヒッグスボソン質量の最も正確な測定値は何か？
• RQ2 イベントレベルのインヴァリアント質量分解能を組み込むことで、質量測定の正確性はどの程度向上するか？
• RQ3 新しい深層ニューラルネットワーク分類器は、バックグラウンド混入をどの程度低減し、信号感度を向上させるか？
• RQ4 更新されたミュオン運動量補正は、ミュオン最終状態における系統的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ5 Run 2データを以前のRun 1測定結果と統合した場合、ヒッグスボソン質量の統合値は何か？

主な発見

• 139 fb⁻¹の13 TeVデータを用いたH → ZZ* → 4ℓチャンネルにおけるヒッグスボソン質量は、124.99 ± 0.18（統計）± 0.04（系誤差）GeVとして測定された。
• ミュオン最終状態における不確実性低減に寄与する、新しい高精度ミュオン運動量スケール補正が導入された。
• 深層ニューラルネットワーク分類器の使用により、信号とバックグラウンドの分離が向上し、系統的不確実性の低減に貢献した。
• 尤度モデルにイベントごとのインヴァリアント質量分解能を組み込むことで、質量再構築の精度が向上した。
• Run 1 ATLAS測定結果と統合した結果、ヒッグスボソン質量は124.94 ± 0.17（統計）± 0.03（系誤差）GeVと決定された。
• 統合不確実性が約0.17 GeVにまで低減され、以前の測定結果と比較して顕著な精度向上が達成された。