[논문 리뷰] Measurement of the $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{H} $ and tH production rates in the H →$ extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ decay channel using proton-proton collision data at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan외 2383명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2016–2018년 동안 CMS에서 수집한 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서 토프-쿼크 쌍과 연관된 힉스 보손(ttH) 및 단일 토프-쿼크와 연관된 힉스 보손(tH) 생성을 측정한다. ttH 생성률은 표준모형 예측의 0.33 ± 0.26 배로 측정되었으며, tH 생성률에 대해 95% 신뢰수준에서 표준모형 기대값의 14.6 배 이하 상한선을 설정하였다. 이는 H → bb 붕괴 채널에서 동시에 두 과정을 추출함으로써 토프-힉스 결합 강도와 CP 구조를 탐색한 것이다.

ABSTRACT

An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$H) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H $ o$$\mathrm{b\bar{b}}$) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The observed $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 $\pm$ 0.26 = 0.33 $\pm$ 0.17 (stat) $\pm$ 0.21 (syst). Additionally, the $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of 19.3$^{+9.2}_{-6.0}$. Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 H → bb 붕괴 채널에서 토프-쿼크 쌍(ttH) 및 단일 토프-쿼크(tH)와 연관된 힉스 보손 생성률을 측정하는 것.
• ttH 및 tH 생성률을 동시에 추출하여 토프-힉스 결합 강도와 CP 구조를 탐색하는 것.
• 토프-힉스 요카다 상수에서의 편미분을 제약함으로써 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 향상시키는 것.
• 다른 힉스 붕괴 채널의 측정 결과와 조합하여 토프-힉스 결합에 대한 제약 조건을 강화하는 것.

제안 방법

• 분석은 2016–2018년 동안 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 최종 상태로 렙톤(전자 또는 뮤온), 제트, b-제트를 포함하는 이벤트를 선별하며, H → bb 붕괴는 고도화된 제트 및 b-태깅 알고리즘을 사용하여 재구성한다.
• 이벤트 운동량을 신호 및 배경 확률 밀도 함수와 비교함으로써 신호와 배경을 구분하기 위해 행렬 원소 방법을 적용한다.
• ttH 생성률 측정을 위해 단순화된 템플릿 횡단면(STXS) 프레임워크를 적용하여 힉스 보손의 횡방향 운동량(pT) 영역 별로 측정한다.
• 체크 영역, 시뮬레이션 기반 보정, 제트 에너지 스케일, b-태깅 효율성, 피로드업에 대한 데이터 기반 기법을 활용하여 체계적 불확실성을 평가한다.
• ttH 및 tH 생성률을 동시에 추출하기 위해 통합 피팅을 수행함으로써 토프-힉스 결합 강도 및 CP 구조에 대한 제약 조건을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H → bb 붕괴 채널에서 측정된 ttH 생성률은 표준모형 예측에 비해 얼마인가?
• RQ2 표준모형 ttH 생성률을 가정할 때, tH 생성률에 대해 95% 신뢰수준에서 어떤 상한선을 설정할 수 있는가?
• RQ3 ttH 및 tH 생성률을 동시에 측정함으로써 토프-힉스 결합 강도와 CP 구조는 어떻게 제약을 받는가?
• RQ4 이 결과는 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 관측된 ttH 생성률은 표준모형 예측의 0.33 ± 0.26 배로 측정되었으며, 통계적 및 체계적 불확실성은 각각 ±0.17 및 ±0.21이었다.
• tH 생성률에 대해 95% 신뢰수준에서 표준모형 기대값의 14.6 배 이하 상한선이 설정되었으며, 기대 상한선은 표준모형 기대값의 19.3+9.2−6.0 배였다.
• ttH 및 tH 생성률을 동시에 추출함으로써 토프-힉스 결합 강도 및 CP 구조에 대한 제약 조건을 제공하였으며, 이는 결합 내 CP-홀드 성분의 탐색을 가능하게 하였다.
• 다른 힉스 붕괴 채널의 측정 결과와 조합함으로써 토프-힉스 요카다 상호작용의 편미분에 대한 민감도가 향상되었다.
• H → bb 채널에서 ttH 생성에 대해 4.6 표준편차의 유의수준을 확보하였으며, 이는 이전 결과를 향상시킨 것이다.
• 대규모 QCD 배경에도 불구하고 주요 H → bb 붕괴 모드에서 정밀한 토프-힉스 결합 측정의 가능성을 입증하였다.