[논문 리뷰] Measurement of the Higgs boson production via vector boson fusion and its decay into bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2333명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 56인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 90.8 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성 및 그가 바텀 쿼크(bb)로 붕괴하는 것을 측정한다. VBF 생성에 대한 신호 강도는 µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶로 측정되었으며, 유의미도는 2.4σ로, 표준모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

A measurement of the Higgs boson (H) production via vector boson fusion (VBF) and its decay into a bottom quark-antiquark pair ($\mathrm{b\bar{b}}$) is presented using proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 90.8 fb$^{-1}$. Treating the gluon-gluon fusion process as a background and constraining its rate to the value expected in the standard model (SM) within uncertainties, the signal strength of the VBF process, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is measured to be $\mu^ ext{qqH}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 1.01$^{+0.55}_{-0.46}$. The VBF signal is observed with a significance of 2.4 standard deviations relative to the background prediction, while the expected significance is 2.7 standard deviations. Considering inclusive Higgs boson production and decay into bottom quarks, the signal strength is measured to be $\mu^ ext{incl.}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 0.99$^{+0.48}_{-0.41}$, corresponding to an observed (expected) significance of 2.6 (2.9) standard deviations.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성 및 바텀 쿼크(bb)로의 붕괴를 측정하는 것.
• 관측된 VBF H→bb 신호 강도가 표준모형 예측과 일치하는지 테스트하는 것.
• VBF 사건에 고유한 운동량 및 제트 하위구조 특성을 활용하여 지배적인 QCD 다중제트 배경을 억제하는 것.
• 회귀 기법을 통해 향상된 제트 에너지 해상도를 활용하여 신호 감도를 향상시키는 것.
• 글루온-글루온 융합 배경을 표준모형 예측된 비율로 고정하여 VBF 신호를 분리하는 것.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 90.8 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 개의 전방/후방 VBF 제트와 H→bb 붕괴에서 유래한 두 개의 중심부 b-제트를 포함하는 사제트 최종 상태를 선호하는 사건 선택 기준을 적용한다.
• 제트 횡방향 운동량의 해상도를 향상시키기 위해 제트 에너지 해상도 회귀 기법을 활용한다.
• b-태깅 및 운동량 절단을 통해 QCD 다중제트 배경을 억제하며, VBF 제트와 b-제트 사이의 낮은 강입성 활동을 이용한다.
• 제어 영역과 데이터 기반 기법을 사용하여 배경 추정을 수행하고, 다중 카테고리에 대한 동시에 피팅을 통해 신호 추출을 수행한다.
• 글루온-글루온 융합(ggH) 배경 비율을 표준모형 예측으로 고정하여 VBF 신호를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터 보손 융합을 통한 힉스 보손 생성 및 바텀 쿼크로의 붕괴 비율이 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ2 큰 QCD 다중제트 배경이 존재하는 상황에서 VBF H→bb 신호가 충분한 유의미도로 관측될 수 있는가?
• RQ3 제트 에너지 해상도 보정 및 b-태깅은 VBF H→bb 채널에 대한 감도 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 VBF H→bb 생성의 측정된 신호 강도는 표준모형 기대치에 비해 어느 정도인가?
• RQ5 신호가 존재하지 않을 경우 예상되는 유의미도와 관측된 유의미도는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• VBF 힉스 보손 생성 및 바텀 쿼크로 붕괴하는 데 대한 신호 강도는 µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• VBF 신호의 관측 유의미도는 2.4 표준편차이며, 기대 유의미도는 2.7 표준편차이다.
• 포괄적인 힉스 보손 생성 및 바텀 쿼크로 붕괴에 대해, 신호 강도는 µincl_Hbb = 0.99⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴¹로 측정되었으며, 관측 유의미도는 2.6σ, 기대 유의미도는 2.9σ이다.
• 분석을 통해 글루온-글루온 융합 배경 비율이 표준모형 예측으로 제약을 받았으며, 이는 깔끔한 VBF 신호 추출을 가능하게 하였다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 13 TeV에서 VBF H→bb 채널에서의 유의미한 편차가 없음을 보여준다.
• 고급 제트 재구성 및 배경 억제 기법을 활용함으로써 VBF H→bb에 대한 감도가 향상되었다.