[논문 리뷰] Measurement of the $H ightarrow \gamma \gamma $ and $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4 \ell $ cross-sections in pp collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2934명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13.6 TeV에서의 pp 충돌에서 Higgs 보손 생성 단면적을 처음으로 ATLAS에서 측정하였으며, H → γγ 및 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널에 각각 31.4 fb⁻¹ 및 29.0 fb⁻¹의 데이터를 사용하였다. 검출기 역전개를 거쳐 전체 운동량 공간으로 외삽한 결과, 총 단면적은 58.2 ± 8.7 pb로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측인 59.9 ± 2.6 pb와 뛰어난 일치를 보였다.

ABSTRACT

The inclusive Higgs boson production cross-section is measured in the di-photon and the $ZZ^* o 4 \ell$ decay channels using 31.4 and 29.0 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data respectively, collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13.6$ TeV. To reduce the model dependence, the measurement in each channel is restricted to a particle-level phase space that closely matches the channel's detector-level kinematic selection, and it is corrected for detector effects. These measured fiducial cross-sections are $σ_{\mathrm{fid},γγ} = 76^{+14}_{-13}$ fb, and $σ_{\mathrm{fid},4 \ell} = 2.80 \pm 0.74$ fb, in agreement with the corresponding Standard Model predictions of $67.6 \pm 3.7 $ fb and $3.67 \pm 0.19 $ fb. Assuming Standard Model acceptances and branching fractions for the two channels, the fiducial measurements are extrapolated to the full phase space yielding total cross-sections of $σ(pp o H) = 67^{+12}_{-11}$ pb and $46 \pm 12$ pb at $13.6$ TeV from the di-photon and $ZZ^* o 4 \ell$ measurements respectively. The two measurements are combined into a total cross-section measurement of $σ(pp o H)= 58.2 \pm 8.7$ pb, to be compared with the Standard Model prediction of $σ(pp o H)_\mathrm{SM} = 59.9 \pm 2.6 $ pb.

연구 동기 및 목표

• 13.6 TeV의 새로운 LHC 중심질량 에너지에서 H → γγ 및 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널에서 Higgs 보손 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 검출기 수준의 선택 기준과 일치하는 피드유얼 운동량 공간으로 측정를 제한하여 모델 의존도를 줄이고, 역전개를 통해 검출기 효과를 보정하기 위해.
• 표준모형 붕괴 분율과 수용률을 사용하여 피드유얼 단면적을 전체 운동량 공간으로 외삽하기 위해.
• 두 붕괴 채널 측정 결과를 하나의 더 정밀한 총 Higgs 보손 생성 단면적으로 조합하기 위해.
• 현재까지 가장 높은 에너지에서 Higgs 보손 성질이 표준모형 예측과 일치하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• √s = 13.6 TeV에서 ATLAS 검출기가 수집한 31.4 fb⁻¹ 및 29.0 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터 사용.
• 모델 의존도를 최소화하기 위해 검출기 수준의 요구 조건과 밀접하게 일치하는 입자 수준 운동량 기준에 기반한 이벤트 재구성 및 선택.
• H → γγ 및 H → ZZ* → 4ℓ 채널의 재구성된 진동 질량 스펙트럼에 피팅 절차를 적용하여 신호 수확량을 추출.
• 정확한 Higgs 보손 질량(125.09 ± 0.24 GeV)과 검출기 반응 보정을 포함한 시뮬레이션된 이벤트를 사용한 신호 모델링.
• 데이터 기반 기법과 시뮬레이션을 통한 배경 모델링; 검출기 분辩도, 캘리브레이션, 효율성 등 주요 요인의 체계적 불확실성 평가.
• 검출기 효과를 역전개하여 피드유얼 단면적을 추출한 후, 표준모형 붕괴 분율과 수용률을 사용하여 전체 운동량 공간으로 외삽.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13.6 TeV에서 H → γγ 붕괴 채널에서 Higgs 보손 생성의 측정된 피드유얼 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 √s = 13.6 TeV에서 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널에서 Higgs 보손 생성의 측정된 피드유얼 단면적은 얼마인가요?
• RQ3 각 붕괴 채널에 대해 피드유얼 단면적이 전체 운동량 공간의 총 생성 단면적으로 어떻게 외삽되나요?
• RQ4 두 붕괴 채널의 총 Higgs 보손 생성 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 비교해보면 어떻게 되나요?
• RQ5 측정된 Higgs 보손 생성률은 13.6 TeV에서 표준모형 기대치와 일치합니까?

주요 결과

• H → γγ 채널의 피드유얼 단면적은 σfid,γγ = 76+14−13 fb로 측정되었으며, 표준모형 예측인 67.6 ± 3.7 fb와 일치한다.
• H → ZZ* → 4ℓ 채널의 피드유얼 단면적은 σfid,4ℓ = 2.80 ± 0.74 fb로 측정되었으며, 표준모형 예측인 3.67 ± 0.19 fb와 일치한다.
• H → γγ 채널에서 외삽한 총 단면적은 σ(pp → H) = 67+12−11 pb이며, H → ZZ* → 4ℓ 채널에서의 값은 46 ± 12 pb이다.
• 두 채널의 조합 총 단면적은 58.2 ± 8.7 pb로 측정되었으며, 표준모형 예측인 59.9 ± 2.6 pb와 뛰어난 일치를 보였다.
• 측정된 단면적은 13.6 TeV에서 표준모형 기대치와 유의미한 편차 없이 일치하며, Higgs 보손 생성의 표준모형 기술을 지지한다.
• 결과는 새로운 13.6 TeV 중심질량 에너지에서 Higgs 보손 생성에 대한 첫 번째 피드유얼 및 총 단면적 측정을 나타낸다.