[論文レビュー] Measurement of the Higgs boson production via vector boson fusion and its decay into bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2333 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 56被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、CMS実験が収集した90.8 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、ベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグスボソン生成とその bottom クォーク（bb）への崩壊の測定が行われている。VBF生成の信号強度は µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶ と測定され、2.4σの有意水準を示し、標準模型の予測と整合的である。

ABSTRACT

A measurement of the Higgs boson (H) production via vector boson fusion (VBF) and its decay into a bottom quark-antiquark pair ($\mathrm{b\bar{b}}$) is presented using proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 90.8 fb$^{-1}$. Treating the gluon-gluon fusion process as a background and constraining its rate to the value expected in the standard model (SM) within uncertainties, the signal strength of the VBF process, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is measured to be $\mu^ ext{qqH}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 1.01$^{+0.55}_{-0.46}$. The VBF signal is observed with a significance of 2.4 standard deviations relative to the background prediction, while the expected significance is 2.7 standard deviations. Considering inclusive Higgs boson production and decay into bottom quarks, the signal strength is measured to be $\mu^ ext{incl.}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 0.99$^{+0.48}_{-0.41}$, corresponding to an observed (expected) significance of 2.6 (2.9) standard deviations.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における√s = 13 TeVでのベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグスボソン生成とその bottom クォーク（bb）への崩壊の生成率を測定すること。
• 観測されたVBF H→bb信号強度が標準模型の予測と整合的かどうかを検証すること。
• VBFイベントに固有の運動量的特徴およびジェットの部分構造特徴を活用して、支配的なQCDマルチジェット背景を抑制すること。
• 回帰手法による改善されたジェットエネルギー分解能を活用して、信号の感度を向上させること。
• グルーオン-グルーオン融合背景の率を標準模型の予測値に固定し、VBF信号を明確に分離すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ90.8 fb⁻¹を用いる。
• 4ジェット最終状態を優遇するイベント選別基準を適用し、2つの前方/後方VBFジェットと、H→bb崩壊に由来する2つの中央部のbジェットを含む。
• ジェットの横方向運動量の分解能を向上させるために、ジェットエネルギー分解能の回帰を適用し、信号の分離を改善する。
• bタギングと運動量的カットを用いて、VBFジェットとbジェットの間に低エネルギーのハドロン的活動を示す特徴を活用し、QCDマルチジェット背景を抑制する。
• 制御領域とデータ駆動型手法を用いて背景推定を行い、複数のカテゴリを同時にフィットすることで信号抽出を実施する。
• グルーオン-グルーオン融合（ggH）背景率を標準模型の予測値に固定し、VBF信号の分離を容易にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトルボソン融合によるヒッグスボソン生成とその bottom クォークへの崩壊の生成率は、標準模型の予測と整合的か？
• RQ2 大きなQCDマルチジェット背景がある中で、VBF H→bb信号が十分な有意水準で観測可能か？
• RQ3 ジェットエネルギー分解能補正とbタギングは、VBF H→bbチャンネルの感度向上にどの程度効果的か？
• RQ4 VBF H→bb生成の測定された信号強度は、標準模型の期待値に対してどの程度か？
• RQ5 信号が存在しない場合の期待される有意水準と、観測された有意水準はどのように比較されるか？

主な発見

• VBFヒッグスボソン生成とその bottom クォークへの崩壊の信号強度は、µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶ と測定され、標準模型の予測と整合的である。
• VBF信号の観測された有意水準は2.4標準偏差であり、予想される有意水準2.7標準偏差と比較される。
• ヒッグスボソンの包括的生成とその bottom クォークへの崩壊に関して、信号強度は µincl_Hbb = 0.99⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴¹ と測定され、観測された有意水準は2.6σ、予想される有意水準は2.9σである。
• この解析により、グルーオン-グルーオン融合背景率が標準模型の予測値に制限され、VBF信号の明確な抽出が可能になった。
• 結果は標準模型と整合的であり、13 TeVにおけるVBF H→bbチャンネルに顕著なずれは観測されなかった。
• 高度なジェット再構築と背景抑制技術を活用することで、VBF H→bbの感度が向上した。