[논문 리뷰] Measurement of the Higgs boson mass in the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ decay channel using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions recorded by the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 2015년부터 2018년까지 수집한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 힉스 보손 질량의 고정밀 측정을 제시한다. 주로 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널을 중심으로 하며, 개선된 뮤온 운동량 캘리브레이션, 배경 구분을 위한 딥 신경망, 그리고 이벤트별로 고려된 불변 질량 해상도 모델을 적용하였다. 측정된 힉스 보손 질량은 124.99 ± 0.18 (통계) ± 0.04 (계측) GeV로, 이는 이전 결과에 비해 불확실도가 크게 감소한 결과이다.

ABSTRACT

The mass of the Higgs boson is measured in the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ decay channel. The analysis uses proton-proton collision data from the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector between 2015 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The measured value of the Higgs boson mass is $124.99\pm0.18 ext{(stat.)}\pm0.04 ext{(syst.)}$ GeV and is based on improved momentum-scale calibration for muons relative to previous publications. The measurement also employs an analytic model that takes into account the invariant-mass resolution of the four-lepton system on a per-event basis and the output of a deep neural network discriminating signal from background events. This measurement is combined with the corresponding measurement using 7 and 8 TeV $pp$ collision data, resulting in a Higgs boson mass measurement of $124.94\pm0.17 ext{(stat.)}\pm0.03 ext{(syst.)}$ GeV.

연구 동기 및 목표

• LHC의 런 2 데이터를 활용하여 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널에서 힉스 보손 질량을 더 정밀하게 측정한다.
• 향상된 캘리브레이션과 고급 분석 기법을 통해 통계적 및 계측 불확실도를 감소시킨다.
• 딥 신경망 분류기를 사용하여 신호와 배경 간의 구분을 향상시킨다.
• 더 정확한 질량 재구성 위해 가능성을 높이기 위해 이벤트 수준의 불변 질량 해상도를 가능하게 하여 가능성을 높인다.
• 이 결과를 이전의 런 1 측정 결과와 융합하여 힉스 보손 질량의 보다 정밀한 종합적 값을 도출한다.

제안 방법

• 2015년부터 2018년까지 ATLAS 검출기에서 수집한 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다. √s = 13 TeV.
• 계측 불확실도를 감소시키기 위해 새로운 고정밀 뮤온 운동량 스케일 캘리브레이션을 적용한다.
• 신호 H → ZZ* → 4ℓ 이벤트와 배경 과정을 구분하기 위해 딥 신경망을 활용한다.
• 분석적 최대우도 적합에 이벤트별로 불변 질량 해상도를 모델링한다.
• 재구성된 m₄ₗ 분포를 mH의 함수로 묘사하는 분석 모델을 사용하여 관측된 데이터에 적합한다.
• 런 2 결과를 이전 ATLAS 런 1 측정 결과와 융합하여 종합된 힉스 보손 질량 값을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀 런 2 데이터 세트를 사용하여 H → ZZ* → 4ℓ 붕괴 채널에서 힉스 보손 질량을 가장 정밀하게 측정한 결과는 무엇인가?
• RQ2 이벤트 수준의 불변 질량 해상도를 포함함으로써 질량 측정 정확도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 새로운 딥 신경망 분류기가 배경 오염을 얼마나 줄이고 신호 감도를 향상시키는가?
• RQ4 업데이트된 뮤온 운동량 캘리브레이션은 뮤온 최종 상태에서 계측 불확실도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 런 2 데이터를 이전 런 1 측정 결과와 융합했을 때 힉스 보손 질량의 종합적 값은 무엇인가?

주요 결과

• 139 fb⁻¹의 13 TeV 데이터를 사용하여 H → ZZ* → 4ℓ 채널에서 힉스 보손 질량을 124.99 ± 0.18 (통계) ± 0.04 (계측) GeV로 측정하였다.
• 이 측정 결과는 뮤온 최종 상태에서의 불확실도를 감소시키기 위해 새로운 고정밀 뮤온 운동량 스케일 캘리브레이션을 도입함으로써 유익을 얻었다.
• 딥 신경망 분류기의 사용은 신호-배경 분리 성능을 향상시켜 계측 불확실도 감소에 기여하였다.
• 가능성 모델에 이벤트 수준의 불변 질량 해상도를 통합함으로써 질량 재구성 정밀도가 향상되었다.
• 런 1 ATLAS 측정 결과와 융합한 결과, 힉스 보손 질량은 124.94 ± 0.17 (통계) ± 0.03 (계측) GeV로 도출되었다.
• 결과적으로 이전 측정 결과에 비해 정밀도가 크게 향상되었으며, 종합 불확실도는 약 0.17 GeV 수준이었다.