[論文レビュー] Measurements of Higgs boson production cross-sections in the $H o au^{+} au^{-}$ decay channel in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2952 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、LHCのラン2期間中にATLAS検出器が収集した139 fb$^{-1}$の$pp$衝突データを用いて、$H \to \tau^+\tau^-$崩壊チャンネルにおけるヒッグス粒子生成断面積の高精度測定を提示している。包括的断面積は$2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pbとして測定され、標準模型予測の$3.17 \pm 0.09$ pbと非常に良好に一致しており、最適化されたイベント分類と高度なバックグラウンドモデル化技術を用いて、4つの主要な生成モードについても測定が実施された。

ABSTRACT

Measurements of the production cross-sections of the Standard Model (SM) Higgs boson ($H$) decaying into a pair of $τ$-leptons are presented. The measurements use data collected with the ATLAS detector from $pp$ collisions produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $139\, ext{fb}^{-1}$. Leptonic ($τ o\ellν_{\ell}ν_τ$) and hadronic ($τ o ext{hadrons}~ν_τ$) decays of the $τ$-lepton are considered. All measurements account for the branching ratio of $H oττ$ and are performed with a requirement $|y_H|<2.5$, where $y_H$ is the true Higgs boson rapidity. The cross-section of the $pp o H oττ$ process is measured to be $2.94 \pm 0.21 ext{(stat)} ^{+\,0.37}_{-\,0.32} ext{(syst)}$ pb, in agreement with the SM prediction of $3.17\pm0.09~ \mbox{pb}$. Inclusive cross-sections are determined separately for the four dominant production modes: $2.65 \pm 0.41 ext{(stat)} ^{+\,0.91}_{-\,0.67} ext{(syst)}$ pb for gluon$-$gluon fusion, $0.197 \pm 0.028 ext{(stat)} ^{+\,0.032}_{-\,0.026} ext{(syst)}$ pb for vector-boson fusion, $0.115 \pm 0.058 ext{(stat)} ^{+\,0.042}_{-\,0.040} ext{(syst)}$ pb for vector-boson associated production, and $0.033 \pm 0.031 ext{(stat)} ^{+\,0.022}_{-\,0.017} ext{(syst)}$ pb for top-quark pair associated production. Measurements in exclusive regions of the phase space, using the simplified template cross-section framework, are also performed. All results are in agreement with the SM predictions.

研究の動機と目的

• 139 fb$^{-1}$のRun 2全データセットを用いて、$\sqrt{s} = 13$ TeVにおける$H \to \tau^+\tau^-$崩壊チャンネルでのヒッグス粒子生成断面積を高精度で測定すること。
• グルーオン-グルーオン融合（ggF）、ベクトルボソン崩壊融合（VBF）、ベクトルボソン関連生成（VH）、トップクォーク対関連生成（ttH）の4つの主要なヒッグス粒子生成モードの断面積を分離して測定すること。
• 簡略化テンプレート断面積（STXS）フレームワークに基づく洗練されたイベント分類を導入することで、ヒッグス粒子信号の感度を向上させ、特に高$ p_T $ヒッグスおよび特定の最終状態のための新規カテゴリを含めること。
• $Z \to \tau\tau$および誤って識別されたジェットのバックグラウンドを、新規の簡略化埋め込み技術とデータ駆動型手法を用いて、向上させること。

提案手法

• 信号およびバックグラウンドの生成率を抽出するために、11の信号領域（SR）と複数の制御領域（CR）を用いたビン化最大尤度フィット手法が用いられた。各領域は特定の運動学的およびトポロジカル基準で定義されている。
• イベント分類は、再構築されたヒッグス粒子の横方向運動量（$p_T(H)$）、ジェット数、およびジェットのフレーバーに基づいており、VBF、V(had)H、および ttH 生成モードの専用カテゴリが設けられている。
• バックグラウンドは、モンテカルロシミュレーションとデータ駆動型手法の組み合わせでモデル化されており、$Z \to \tau\tau$イベントの推定には、$Z \to \ell\ell$崩壊の横方向運動量をスケーリングする簡略化埋め込み法が用いられている。
• 各カテゴリにおける信号純度を向上させるために、多変量識別子が最適化されており、特に$H \to \tau\tau$と主要な$Z \to \tau\tau$および誤って識別されたジェットバックグラウンドの区別に有効である。
• 実験的要因（例：オブジェクト再構築、エネルギースケール）、信号およびバックグラウンドモデル化における理論的不確実性、信号受容率の変動に関するシステムティック不確実性が評価された。
• 主な識別子として$m_{\text{MMC}}^{\tau\tau}$の不変質量分布が用いられ、各カテゴリにおけるすべての寄与過程のテンプレートが構築された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおける$H \to \tau^+\tau^-$崩壊チャンネルでのヒッグス粒子生成断面積の包括的値は何か？ また、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 ggF、VBF、VH、ttHの4つの主要なヒッグス粒子生成モードの断面積は、$H \to \tau\tau$最終状態において標準模型予測と一致するか？
• RQ3 ヒッグス粒子信号とバックグラウンドの比を、最適化されたイベント分類と多変量解析によってどの程度向上させられるか？
• RQ4 従来の手法と比較して、新しい簡略化埋め込み技術は$Z \to \tau\tau$バックグラウンドのモデル化においてどの程度効果的か？
• RQ5 観測された信号生成率は標準模型予測に対してどの程度有意であり、$(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$の観点からどのように定量的に表現されるか？

主な発見

• 包括的$pp \to H \to \tau\tau$生成断面積は$2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pbとして測定され、標準模型予測の$3.17 \pm 0.09$ pbと非常に良好に一致している。
• グルーオン-グルーオン融合（ggF）の断面積は$2.65 \pm 0.41^{+0.91}_{-0.67}$ pbとして測定され、標準模型予測と一致している。
• ベクトルボソン崩壊融合（VBF）の寄与は$0.197 \pm 0.028^{+0.032}_{-0.026}$ pbとして測定され、標準模型予測と一致している。
• ベクトルボソン関連生成（VH）は、新規のV(had)Hカテゴリを含め、$0.115 \pm 0.058^{+0.042}_{-0.040}$ pbとして測定され、標準模型予測と一致している。
• トップクォーク対関連生成（ttH）断面積は$0.033 \pm 0.031^{+0.022}_{-0.017}$ pbとして測定され、統計的サンプル数が少ないため不確実性が大きいものの、標準模型予測と一致している。
• 観測された信号強度、すなわち$(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$は$0.93^{+0.12}_{-0.11}$であり、標準模型からの顕著なずれは認められない。