[논문 리뷰] Fiducial and differential cross-section measurements for the vector-boson-fusion production of the Higgs boson in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ decay channel at 13 $ ext{TeV}$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2967명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS Run 2 데이터 139 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성에 대한 처음으로 통합 및 미분 피드유셜 단면적 측정을 제시한다. $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 붕괴 채널에서 VBF 신호의 유의수준은 5.1$\sigma$에 도달하였으며, 차수 6 연산자를 사용한 유효 필드 이론을 통해 비정상적인 힉스 결합을 제약한다.

ABSTRACT

The vector-boson production cross-section for the Higgs boson decay in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ channel is measured as a function of kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay properties as well as integrated in a fiducial phase space. The analysis is performed using the proton--proton collision data collected by the ATLAS detector in Run 2 of the LHC at $\sqrt{s}= 13$$ ext{TeV}$ center-of-mass energy, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The opposite lepton flavor final state is studied by selecting an electron and a muon originating from a pair of $W$ bosons and compatible with the Higgs boson decay. The data are corrected for the effects of detector inefficiency and resolution, and the measurements are compared with different state-of-the-art theoretical predictions. The differential cross-sections are used to constrain anomalous interactions described by dimension-six operators in an Effective Field Theory.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서 $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 붕괴 채널에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성에 대한 피드유셜 단면적을 측정한다.
• 히iggs 생성 및 붕괴 역학에 민감한 운동량 관측량에 따라 변하는 미분 단면적 측정을 수행한다.
• 차수 6 연산자를 사용한 유효 필드 이론을 통해 비정상적인 힉스 보손 결합을 제약한다.
• 이벤트 선택 및 배경 억제를 최적화하여 VBF 힉스 신호 추출의 정밀도를 향상시킨다.

제안 방법

• 분석은 ATLAS 검출기에서 Run 2 동안 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 139 fb$^{-1}$ 를 사용한다.
• 신호 이벤트는 반대 전하를 가진 전자 및 뮤온이 약한 각도로 배열되어 있고, $H \to WW^*$ 붕괴에 부합하는 조건을 충족하도록 선별한다.
• 레프톤의 운동량 조건, $b$-제트 제거, 제트의 횡방향 운동량, 진동 질량, 빠르도비 분리도에 대한 추가적인 절단 조건을 통해 배경 억제를 달성한다.
• 두 개의 에너지가 높고 빠르도비 갭이 큰 제트를 요구함으로써 VBF 구조를 강화한다.
• 다변량 판별자에 대한 동시에 이분화된 최대우도 적합을 통해 신호를 추출하며, 제어 영역을 통해 배경 정규화 인자를 제약한다.
• 검출기 효과, 배경 모델링, 이론적 입력에 대한 전용 연구를 통해 체계적 불확실성을 평가하며, 상관 행렬을 통해 파rameter 간 상관관계를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 붕괴 채널에서 VBF 힉스 보손 생성에 대한 통합 피드유셜 단면적은 얼마인가?
• RQ2 레프톤 횡운동량, 이레프톤 진동 질량, 제트의 각도 분리도와 같은 운동량 변수에 따라 미분 피드유셜 단면적은 어떻게 변하는가?
• RQ3 측정된 단면적이 표준모형을 초월한 비정상적인 힉스 보손 결합을 어느 정도 제약하는가?
• RQ4 유효 필드 이론의 맥락에서 최신 이론 예측과 결과는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• VBF $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$에 대한 통합 피드유셜 단면적은 $1.20 \pm 0.24$ pb로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• 신호의 유의수준은 5.1$\sigma$에 도달하여 이 최종 상태에서 VBF 힉스 보손 생성의 관측를 확인한다.
• 레프톤 및 제트 운동량 변수에 대한 이분화된 단면적이 측정되었으며, $p_T^{\ell_1}$, $p_T^{\ell_2}$, $m_{\ell\ell}$, $|\Delta y_{\ell\ell}|$, $|\Delta\phi_{\ell\ell}|$, $\cos(\theta^*_{\eta})$ 포함하며 통계적 및 체계적 불확실성이 보고되었다.
• 측정된 단면적은 표준모형 예측과 최신 이론 계산과 양호한 일치를 보인다.
• 배경 정규화 인자와 미분 단면적 간 상관 행렬이 제공되었으며, 특히 $Z+jets$와 $VV+top$ 배경 간 중간에서 강한 상관관계를 보였다.
• 차수 6 유효 필드 이론 연산자를 사용하여 비정상적인 힉스 결합에 대한 제약 조건을 도출하였으며, 결과는 불확실성 범위 내에서 표준모형과 일치한다.