[論文レビュー] Measurements of Higgs boson production in the decay channel with a pair of $ au $ leptons in proton–proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2351 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、CMS実験が √s = 13 TeV で収集した 138 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用いて、H → ττ 衰え経路におけるヒッグス粒子生成の包括的測定を報告する。ニューラルネットワーク分析とカットベースの分類を用い、16の運動的領域において標準模型（SM）に対する信号強度を測定した結果、全生成では 0.82 ± 0.11、グルーオン融合では 0.67 ± 0.19、ベクトルボソン融合では 0.81 ± 0.17、ベクトルボソン関連生成では 1.79 ± 0.45 を得た。

ABSTRACT

Measurements of Higgs boson production, where the Higgs boson decays into a pair of $ au$ leptons, are presented, using a sample of proton-proton collisions collected with the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Three analyses are presented. Two are targeting Higgs boson production via gluon fusion and vector boson fusion: a neural network based analysis and an analysis based on an event categorization optimized on the ratio of signal over background events. These are complemented by an analysis targeting vector boson associated Higgs boson production. Results are presented in the form of signal strengths relative to the standard model predictions and products of cross sections and branching fraction to $ au$ leptons, in up to 16 different kinematic regions. For the simultaneous measurements of the neural network based analysis and the analysis targeting vector boson associated Higgs boson production signal strengths are found to be 0.82$\pm$0.11 for inclusive Higgs boson production, 0.67$\pm$0.19 (0.81$\pm$0.17) for the production mainly via gluon fusion (vector boson fusion), and 1.79$\pm$0.45 for vector boson associated Higgs boson production.

研究の動機と目的

• 138 fb⁻¹ の統合流量を用いて、√s = 13 TeV における H → ττ 衰え経路でのヒッグス粒子生成を高精度で測定すること。
• 特にτレプトンへのヒッグス粒子結合定数に対する標準模型の予測を検証すること。これは、新物理の兆候を検出するのに感受性が高く、SMを超える物理に敏感である。
• 簡略化テンプレート断面積（STXS）スキームを用いた微分測定を実施し、生成モードや崩壊経路間での比較を可能にすること。
• 高度な多次元解析技術を用いて、グルーオン融合、ベクトルボソン融合、ベクトルボソン関連生成といったヒッグス粒子生成メカニズムの感度を向上させること。
• 今後の高精度なヒッグス結合定数測定のベンチマークを提供し、新物理を示唆するずれの有無を探索すること。

提案手法

• 信号とバックグラウンドを区別するためのニューラルネットワーク（NN）マルチクラス分類手法を用い、NNの出力を主たる識別子として使用する。
• カットベース（CB）分析を実施し、信号対バックグラウンドの最適化に基づいてイベントをカテゴリ化する。τおよびジェットの運動論的特徴から得られる1次元および2次元識別子を用いる。
• STXS ステージ0およびステージ1.2スキームを用いて、16の運動的領域にイベントを分類し、生成モードの微分測定を可能にする。
• 主なバックグラウンド（マルチジェットおよびDrell-Yan過程）の推定に、データ駆動型技術と埋め込みシミュレーションを用いる。
• NN解析とVH解析の組み合わせを実施し、インクルーシブ、ステージ0、ステージ1.2の信号強度および σ × Br(H → ττ) 値を抽出する。
• 検出器効果、バックグラウンドモデル、理論的入力からの系統的不確実性を統合し、制御領域とシミュレーションの比較を用いた詳細な妥当性確認を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H → ττ 衰え経路におけるグルーオン融合、ベクトルボソン融合、ベクトルボソン関連生成によるヒッグス粒子生成の信号強度はそれぞれいかほどか？
• RQ2 STXSスキームで定義された異なる運動的領域において、測定された信号強度は標準模型の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 ニューラルネットワークベースの解析とカットベースの解析の間で、ヒッグス生成モードを制約する感度にどの程度の相違があるか？
• RQ4 16のSTXSビンにおける σ × Br(H → ττ) の測定値は、標準模型の予測をどの程度支持または挑戦するか？
• RQ5 NN解析とVH解析の組み合わせは、個別の解析よりも、τレプトンへのヒッグス粒子結合定数の測定をより堅牢かつ高精度に可能にするか？

主な発見

• H → ττ 衰え経路における全生成の信号強度は 0.82 ± 0.11 と測定され、標準模型の予測と整合的である。
• グルーオン融合生成では信号強度が 0.67 ± 0.19 であり、SM予測に対してわずかに不足しているが、統計的不確実性の範囲内にある。
• ベクトルボソン融合生成では信号強度が 0.81 ± 0.17 であり、1.1σの範囲内で標準模型と整合的である。
• ベクトルボソン関連生成（VH）では信号強度が 1.79 ± 0.45 と測定され、SM予測を大幅に上回っているが、2.0σの範囲内に収まっている。
• STXS ステージ0のqqHビンでは、ニューラルネットワークベースの解析がカットベース解析に比べて30%高い感度を示し、ステージ1.2のggHおよびqqHビンでは平均で30～40%高い感度を達成した。
• NN解析とVH解析の組み合わせが主たる結果を提供し、16の運動的領域にわたるSTXSステージ0およびステージ1.2スキームにおいて、信号強度および σ × Br(H → ττ) 値を報告した。