[論文レビュー] Measurements of the Higgs boson production cross section and couplings in the W boson pair decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2386 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CMS実験が2016–2018年中に収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データ（√s = 13 TeV）を用いて、H → WW崩壊チャンネルにおけるヒッグス粒子の生成断面積および結合定数の高精度測定を提示する。信号強度係数µは0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹として測定され、誤差の範囲内で標準模型の予測と整合的であり、従来の解析と比較してVBF、VH、および同じ電荷の二レプトン最終状態に対する感度が向上している。

ABSTRACT

Production cross sections of the standard model Higgs boson decaying to a pair of W bosons are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis targets Higgs bosons produced via gluon fusion, vector boson fusion, and in association with a W or Z boson. Candidate events are required to have at least two charged leptons and moderate missing transverse momentum, targeting events with at least one leptonically decaying W boson originating from the Higgs boson. Results are presented in the form of inclusive and differential cross sections in the simplified template cross section framework, as well as couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions. The data set collected by the CMS detector during 2016-2018 is used, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed production rate in a given decay channel to the standard model expectation, is measured to be $\mu$ = 0.95$^{+0.10}_{-0.09}$. All results are found to be compatible with the standard model within the uncertainties.

研究の動機と目的

• 13 TeVにおけるH → WW崩壊チャンネルでのヒッグス粒子生成断面積を、複数の生成メカニズムに対してより高い感度で測定すること。
• 簡略化テンプレート断面積（STXS）フレームワークを用いて、包含的および微分的断面積を通じて、ヒッグス粒子のベクトルボソンおよびフェルミオンへの結合定数を調べること。
• 同一フレーバーの二レプトン最終状態や、VH生成における三レプトン最終状態を含む、従来測定されていなかった最終状態への感度を拡大し、WH生成における同じ電荷のレプトンを初めてCMSで測定すること。
• 2016–2018年の間に得られた138 fb⁻¹のより大きな統合した放射線量と高度な解析手法を用いて、測定の正確性を向上させること。

提案手法

• イベント選別は、少なくとも2つの電荷を帯びたレプトンと中程度の欠落横断運動量を有する最終状態を標的にし、H → WW崩壊でレプトン的崩壊を示すWボソンを1つ以上持つイベントに焦点を当てる。
• 解析は、グルーオン融合（ggH）、ベクトルボソン融合（VBF）、およびWまたはZボソンと関連して生成される（VH）といった複数の生成モードにおいて、包含的および微分的断面積を測定するための簡略化テンプレート断面積（STXS）フレームワークを採用する。
• バックグラウンド推定にはデータ駆動的手法とシミュレーションを併用し、トップクォークおよびDrell-Yan過程といった主要なバックグラウンドを詳細にモデル化する。
• システムティック不確実性は、ジャットエネルギースケール、レプトンおよび欠落横断運動量再構築、積層効果、および放射線量に関する特別な研究を通じて評価され、制御領域を用いてデータから補正が施される。
• 信号強度係数µは、複数の最終状態および生成カテゴリを同時にフィットすることで抽出され、観測された生成率と標準模型の予測を比較する。
• 特にVBFおよびVH最終状態における同一フレーバーのレプトンおよびハドロン的崩壊を示すベクトルボソンを伴う状態の感度を高めるために、高度な多次元解析手法および運動量判別子が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるH → WW崩壊チャンネルでのヒッグス粒子生成の信号強度係数µはどのようであり、標準模型の予測とどのように比較されるか？
• RQ2 STXSフレームワークにおいて、異なる生成メカニズム（ggH、VBF、VH）におけるヒッグス粒子生成の微分的断面積はどのように変化するか？
• RQ3 ヒッグス粒子のベクトルボソンおよびフェルミオンへの結合定数に対する制約は何か？また、これらは標準模型の予測と整合的か？
• RQ4 同一フレーバーの二レプトン最終状態や三レプトン最終状態といった新しい最終状態を含めることで、特定の生成モードに対する感度はどの程度向上するか？
• RQ5 CMS実験においてWH生成で同じ電荷のレプトンを観測した意義は何か？

主な発見

• 信号強度係数µは0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹として測定され、実験的不確実性の範囲内で標準模型の予測と良好に一致している。
• 微分的断面積は簡略化テンプレート断面積（STXS）フレームワークを通じて報告され、複数の位相空間領域における生成メカニズムに対する詳細な制約が得られた。
• 同一フレーバーの二レプトンや三レプトン最終状態といった新しい最終状態を含めることで、ベクトルボソン融合（VBF）および関連生成（VH）に対する感度が向上した。
• CMSでは初めて、WH生成における同じ電荷のレプトンを測定し、希少なヒッグス生成チャネルを探索する能力を示した。
• 測定されたすべての断面積および結合定数は、標準模型の予測と整合的であり、顕著なずれは観測されなかった。
• 138 fb⁻¹のより大きな統合放射線量と新しい解析手法のおかげで、前回のRun 2測定と比較して測定精度が向上した。