[論文レビュー] Measurements of inclusive and differential cross sections for the Higgs boson production and decay to four-leptons in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2318 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験が2016–2018年にかけて収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を用い、H →ZZ →4ℓ崩壊チャンネルにおけるヒッグス粒子生成の包括的および微分的フィドーシャル断面積について、これまでで最も高精度な測定を提示している。測定された包括的フィドーシャル断面積2.73 ± 0.26 fbは、標準模型予測の2.86 ± 0.1 fbと良好に一致しており、微分的分布はヒッグス粒子の三重自己結合定数および底クォーク・charmクォークへの結合定数の修正要因を制約するために用いられている。

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections for the Higgs boson production in the H $ o$ ZZ $ o$ 4$\ell$ ($\ell$ = e,$\mu$) decay channel are presented. The results are obtained from the analysis of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured inclusive fiducial cross section is 2.73$\pm$0.26 fb, in agreement with the standard model expectation of 2.86$\pm$0.1 fb. Differential cross sections are measured as a function of several kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay to four leptons. A set of double-differential measurements is also performed, yielding a comprehensive characterization of the four leptons final state. Constraints on the Higgs boson trilinear coupling and on the bottom and charm quark coupling modifiers are derived from its transverse momentum distribution. All results are consistent with theoretical predictions from the standard model.

研究の動機と目的

• 138 fb⁻¹の13 TeV陽子-陽子衝突データを用いて、H →ZZ →4ℓ崩壊チャンネルにおけるヒッグス粒子生成の包括的および微分的フィドーシャル断面積を測定すること。
• 検出器効果をアンフォールドすることで、4レプトン最終状態におけるヒッグス粒子生成および崩壊のモデルに依存しない特徴付けを提供すること。
• ヒッグス粒子の横運動量分布を用いて、ヒッグス粒子の三重自己結合定数および底クォーク・charmクォークへの結合定数修正要因を制約すること。
• 複数の運動量観測量および二重微分測定を用いて、フィドーシャル断面積を高精度で標準模型予測と照合すること。

提案手法

• 分析は、CERNのLHCにおけるCMS検出器が2016–2018年にかけて収集したデータを用い、√s = 13 TeVで138 fb⁻¹の統合光度に対応している。
• フィドーシャル断面積は、実験的受容域および再構築レベルの選別基準に近く、モデル依存性を低減するための位相空間領域内で測定されている。
• ヒッグス粒子の横運動量（pH_T）、4レプトン系の不変質量、および角度分布などの運動量観測量が、微分的断面積の測定に用いられている。
• 複数の運動量変数のビンに分けた二重微分的断面積が測定され、4レプトン最終状態を包括的に特徴付けている。
• 行列要素に基づく運動量識別子が、ヒッグス粒子とベクトルボソンとの異常結合を調査するために用いられている。
• ヒッグス粒子の三重自己結合定数および底クォーク・charmクォークへの結合定数修正要因は、STXSフレームワークとは異なる方法を用いて、ヒッグス粒子のpT分布から導出されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるH →ZZ →4ℓ崩壊チャンネルでのヒッグス粒子生成の包括的フィドーシャル断面積は何か？
• RQ2 ヒッグス粒子の横運動量や4レプトン系の不変質量といった主要な運動量観測量の関数として、微分的断面積はどのように変化するか？
• RQ3 測定された分布は、ヒッグス粒子の三重自己結合定数および底クォーク・charmクォークへの結合にどの程度制約を加えているか？
• RQ4 観測された断面積は、二重微分的分布を含め、全フィドーシャル位相空間で標準模型予測と整合しているか？
• RQ5 行列要素識別子による異常結合の探査を通じて、データは標準模型を超える新しい物理の兆候を示しているだろうか？

主な発見

• 測定された包括的フィドーシャル断面積は2.73 ± 0.26 fbであり、標準模型予測の2.86 ± 0.1 fbと良好に一致している。
• ヒッグス粒子の横運動量（pH_T）、4レプトン系の不変質量、および他の運動量変数の関数として微分的断面積が測定され、最終状態の包括的特徴付けがなされている。
• 6つの二重微分的断面積が測定され、物理的メカニズムの感度が向上し、ヒッグス粒子生成ダイナミクスの解像度が向上している。
• ヒッグス粒子の三重自己結合定数および底クォーク・charmクォークへの結合定数修正要因は、pH_T分布から導出されており、標準模型の予測と整合している。
• 行列要素識別子による異常結合に敏感な測定を含め、すべての測定結果が標準模型予測と整合している。
• 本分析では、レプトン再構築および選別効率に関連する主な系統的不確実性が、前回の測定と比較して約40％低減されている。