[논문 리뷰] Measurement of the Higgs boson inclusive and differential fiducial production cross sections in the diphoton decay channel with pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2400명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 √s = 13 TeV에서 수집한 137 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 이unge르-보손의 이중광자 붕괴 채널에서의 포함 및 미분 피드유얼 단면적을 현재까지 가장 정밀하게 측정한다. 고도로 발전한 시뮬레이션 보정 기법과 고급 재구성 기술을 적용하여, 여러 운동량 관측량에서 모델에 종속되지 않는 정밀 측정을 달성하였으며, 결과는 75.4 ± 4.1 fb의 표준모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson decaying to a pair of photons are presented. The analysis is performed using proton-proton collisions data recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{−1}$. The inclusive fiducial cross section is measured to be $ {\sigma}_{ extrm{fid}}={73.4}_{-5.3}^{+5.4}{\left( extrm{stat} ight)}_{-2.2}^{+2.4}\left( extrm{syst} ight) $ fb, in agreement with the standard model expectation of 75.4 ± 4.1 fb. The measurements are also performed in fiducial regions targeting different production modes and as function of several observables describing the diphoton system, the number of additional jets present in the event, and other kinematic observables. Two double differential measurements are performed. No significant deviations from the standard model expectations are observed.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 이중광자로 붕괴하는 이unge르-보손의 포함 및 미분 피드유얼 단면적을 측정한다.
• 이론적 가정에 크게 의존하지 않는 모델에 종속되지 않은 피드유얼 단면적 측정을 제공한다.
• 이전 측정치를 초월하여 운동량 관측량의 분할 수를 약 두 배로 증가시켜 정밀도를 향상시킨다.
• 기존의 이중광자 횡운동량 측정과 보완하는 ϕ∗η 및 τjC에 대한 새로운 미분 측정을 도입한다.
• 이중광자 pT 대 비드유얼 다중도 및 이중광자 pT 대 τjC에 대한 이중미분 측정을 수행하여 생산 역학에 대한 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• LHC 런 2 기간 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 137 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 전자기 쇄의 모델링에서 주요 실험적 시스테마틱 불확실성의 영향을 줄이기 위해 새로 개발된 시뮬레이션 보정 기법을 적용한다.
• 검출기 수용 범위에 기반한 피드유얼 영역을 정의하고, 신호 후보를 분류하기 위해 각 사건의 질량 해상도 추정기 기반으로 재구성한다.
• 광자, 제트, 이벤트 수준 관측량에 대해 고급 재구성 및 캘리브레이션 기법을 적용하며, 이는 입자 흐름 재구성과 anti-kT 알고리즘을 사용한 제트 클러스터링 포함된다.
• XGBoost 및 다중목표 회귀와 같은 기계학습 기법을 사용하여 이벤트 분류 및 배경 억제를 향상시킨다.
• 다양한 관측량에서의 미분 측정을 수행한다: 이중광자 시스템 운동량, 제트 횡운동량, 이중제트 시스템, ϕ∗η 및 τjC를 포함한 이벤트 수준 변수.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 이중광자로 붕괴하는 이unge르-보손의 포함 피드유얼 단면적은 얼마인가?
• RQ2 이중광자 횡운동량, 제트 다중도, 기타 운동량 관측량에 따라 미분 피드유얼 단면적은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다양한 피드유얼 영역과 관측량에서 측정된 단면적은 표준모형 예측과 얼마나 다를까?
• RQ4 ϕ∗η 및 τjC와 같은 새로운 관측량은 전통적인 pT 기반 측정에 비해 이unge르-보손 생산 역학에 대한 민감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 이전의 유사한 최종 상태를 사용한 CMS 분석에 비해 피드유얼 단면적 측정의 정밀도는 얼마나 향상되었는가?

주요 결과

• 포함 피드유얼 단면적은 σfid = 73.4+5.4−5.3 (통계)+2.4−2.2 (시스) fb로 측정되었으며, 표준모형 예측인 75.4 ± 4.1 fb와 뛰어난 일치를 보였다.
• 이전 CMS 논문 대비 대부분의 관측량에서 분할 수를 약 두 배로 증가시켜 해상도와 정밀도를 크게 향상시켰다.
• ϕ∗η 및 τjC와 같은 새로운 관측량을 포함한 모든 피드유얼 및 미분 측정에서 표준모형 예측과의 뚜렷한 이격은 관측되지 않았다.
• 이중광자 pT 대 비드유얼 다중도 및 이중광자 pT 대 τjC에 대한 이중미분 단면적 측정을 수행하여 이unge르-보손 생산 메커니즘에 대한 새로운 제약 조건을 제공하였다.
• 새로운 시뮬레이션 보정 기법은 전자기 쇄 모델링 불확실성의 영향을 효과적으로 줄였으며, 이는 이전 측정에서 주요 시스테마틱 요인으로 작용하였다.
• 결과는 현재까지 H →γγ 피드유얼 단면적 측정에서 가장 높은 정밀도를 기록하였으며, 단순 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크와 보완되는 모델에 종속되지 않은 기준이 되었다.