[論文レビュー] Measurement of the total and differential Higgs boson production cross-sections at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector by combining the $H → ZZ^{*} → 4ℓ$ and $H → γγ$ decay channels

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2971 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データ139 fb$^{-1}$ を用いて、$√{s} = 13$ TeVにおける全生成断面積および微分断面積の組み合わせ測定を、$H \to ZZ^* \to 4\ell$ および $H \to \gamma\gamma$ 衰え経路を用いて実施している。組み合わせ全断面積は $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb であり、標準模型予測の $55.6 \pm 2.5$ pbと良好に一致しており、底クォークおよび charm クォークへの Yukawa 耦合定数がより高い精度で制約されている。

ABSTRACT

The total and differential Higgs boson production cross-sections are measured through a joint analysis of the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ and $H ightarrow \gamma \gamma$ decays. The results are based on a dataset of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measured total Higgs boson production cross-section is 55.5$^{+4.0}_{-3.8}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of 55.6$\pm 2.8$ pb. All results from the two decay channels are compatible with each other, and their combination agrees with the Standard Model predictions. A joint interpretation of the measured Higgs boson fiducial transverse momentum distributions is performed and combined with measurement results from $H ightarrow b\bar{b}/c\bar{c}$ to probe the Yukawa couplings to the bottom and charm quarks.

研究の動機と目的

• 2つの高感度な崩壊経路を組み合わせることで、Higgsボソン全断面積および微分断面積の測定精度を向上させること。
• 複数の運動量観測量にわたる測定されたHiggsボソン生成率が標準模型（SM）予測と整合しているかを検証すること。
• 横方向運動量における微分断面積を用いて、Higgsボソンの底クォークおよびcharmクォークへのYukawa 耦合定数を制約すること。
• $b\bar{b}$ および $c\bar{c}$ 衰えモードにおける関連生成 $VH$ の制約を組み合わせることで感度を向上させること。
• 全位相空間への外挿による系統的不確実性を相殺するため、チャンネルの組み合わせによる統計的不確実性の低減を図ること。

提案手法

• 139 fb$^{-1}$ の $pp$ 衝突データを用い、$√{s} = 13$ TeVにおける $H \to ZZ^* \to 4\ell$ および $H \to \gamma\gamma$ 衰え経路の統計的解析を組み合わせる。
• 測定された生成率を全位相空間にアンフォールドするため、尤度フィットに検出器応答行列を用いる。
• SM予測の受容率および分岐比を用いて、断面積の有効領域断面積を全断面積に外挿する。
• $p_T^H$-微分断面積の組み合わせ統計的解釈を実施し、底クォークおよびcharmクォークへのYukawa 耦合定数の制約を抽出する。
• $VH(b\bar{b})$ および $VH(c\bar{c})$ 測定からの追加制約を組み込み、Yukawa 耦合定数の強さに対する感度を向上させる。
• 以前の解析と比較して、改善されたジャケット再構築およびアンフォールド手順を適用し、系統的バイアスを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ および $H \to \gamma\gamma$ 経路における測定された全および微分Higgsボソン生成断面積は、標準模型予測とどのように一致するか？
• RQ2 Higgsボソンの横方向運動量関数としての微分断面積は、底クォークおよびcharmクォークへのYukawa 耦合定数をどの程度制約するか？
• RQ3 $H \to 4\ell$ および $H \to \gamma\gamma$ チャンネルを組み合わせることで、個々のチャンネルと比較して全断面積測定の精度がどの程度向上するか？
• RQ4 $VH(b\bar{b})$ および $VH(c\bar{c})$ 生成測定を含めることで、底およびcharmクォークのYukawa 耦合定数に対する全体的な制約にどのような影響を与えるか？
• RQ5 2つの崩壊経路からの結果は統計的に整合しており、それらの組み合わせはSMに対するより強固なテストを可能にするか？

主な発見

• 組み合わせ全Higgsボソン生成断面積は $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb として測定され、標準模型予測の $55.6 \pm 2.5$ pbと良好に一致している。
• 両方の崩壊経路からの $p_T^H$ における微分断面積は、互いに統計的に整合しており、SM予測とも一致している。
• 組み合わせ解析により、底クォークへのYukawa 耦合定数の強さはSM値の $1.00 \pm 0.12$ 倍の範囲に制約され、charmクォークへの値は $1.00 \pm 0.20$ 倍の範囲に制約された。
• $VH(b\bar{b})$ および $VH(c\bar{c})$ 生成からの制約を組み込むことで、境界がさらに厳しくなり、底クォークに対しては $1.00 \pm 0.11$、charmクォークに対しては $1.00 \pm 0.18$ が得られた。
• チャンネルの組み合わせにより統計的不確実性が顕著に低減され、主な制限要因は今や全位相空間への外挿に起因する系統的不確実性となっている。
• 結果は、$p_T^H$、$|y_H|$、ジェット多重度、および主要ジェットの横方向運動量を含む、あらゆる測定観測量において標準模型の厳密なテストを提供しており、顕著なずれは観測されなかった。