[논문 리뷰] Measurement of the Higgs boson width and evidence of its off-shell contributions to ZZ production

A. Tumasyan, W. Adam외 2356명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌을 이용해 CMS 데이터를 바탕으로 오프셸(off-shell) 힉스 보손 생성의 첫 번째 증거를 제시한다. 힉스 보손의 너비를 측정한 결과, ΓH = 3.2+2.4−1.7 MeV로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측인 4.1 MeV와 일치한다. 또한 오프셸 기여가 없는 상황은 3.6σ의 유의수준에서 배제된다.

ABSTRACT

Since the discovery of the Higgs boson in 2012, detailed studies of its properties have been ongoing. Besides its mass, its width - related to its lifetime - is an important parameter. One way to determine this quantity is by measuring its off-shell production, where the Higgs boson mass is far away from its nominal value, and relating it to its on-shell production, where the mass is close to the nominal value. Here, we report evidence for such off-shell contributions to the production cross section of two Z bosons with data from the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. We constrain the total rate of the off-shell Higgs boson contribution beyond the Z boson pair production threshold, relative to its standard model expectation, to the interval [0.0061, 2.0] at 95% confidence level. The scenario with no off-shell contribution is excluded at a $p$-value of 0.0003 (3.6 standard deviations). We measure the width of the Higgs boson as $\Gamma_{\mathrm{H}}$ = 3.2 $_{-1.7}^{+2.4}$ MeV, in agreement with the standard model expectation of 4.1 MeV. In addition, we set constraints on anomalous Higgs boson couplings to W and Z boson pairs.

연구 동기 및 목표

• 입자 수명과 붕괴 너비에 민감한 방법을 통해 ZZ 최종 상태에서의 오프셸 생성을 통해 힉스 보손 너비를 측정한다.
• 표준모형 예측인 ΓH = 4.1 MeV를 검증하기 위해 ZZ 생성에 대한 오프셸 기여를 제약한다.
• 새로운 물리 현상의 신호가 될 수 있는 W 및 Z 보손과의 힉스 보손 결합에서의 이심을 탐색한다.
• ZZ 진동 질량 스펙트럼에서 간섭 효과에 기반한 새로운 접근법을 사용하여 힉스 보손 너비의 정밀도를 향상시킨다.

제안 방법

• CERN 대형 하드론 충돌기에서의 CMS 검출기를 이용하여 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌을 분석한다.
• ZZ → 4ℓ 최종 상태(ℓ = e, μ)를 측정하여 ZZ 시스템의 진동 질량을 재구성하며, ZZ 임계값 이상의 고질량 영역에 집중한다.
• 진동 질량 분포에 대한 동시 피팅을 통해 오프셸 힉스 기여를 추출하며, 힉스 교환과 연속체 ZZ 생성 간의 간섭을 적용한다.
• 오프셸 힉스 신호를 상대론적 브라이트-워너 분포로 모델링하고, 단면적 비례를 통해 오프셸과 온셸 생산 비율을 연결한다.
• σ_off-shell ∝ ΓH × µ_p 관계를 사용하여, µ_p가 신호 강도임을 고려해 오프셸과 온셸 비율의 비율로부터 힉스 너비를 추출한다.
• 통계적 검정을 수행하여 오프셸 기여가 표준모형 예측에 비해 제약을 받는지 확인하며, 0 기여 상황은 3.6σ에서 배제된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 힉스 보손 너비는 얼마이며, 표준모형 예측인 4.1 MeV와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 고진동 질량 영역에서 ZZ → 4ℓ 최종 상태에서 오프셸 힉스 보손 생성에 대한 증거가 있는가?
• RQ3 W 및 Z 보손 쌍과의 이심 힉스 결합은 관측된 오프셸 신호에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 LHC 검출기의 제한된 질량 해상도를 고려할 때, 오프셸 생성을 통해 힉스 보손 너비를 고정밀도로 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 오프셸 힉스 기여는 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 [0.0061, 2.0] 배 이내로 제약된다.
• 오프셸 기여가 없는 상황은 p-값 0.0003로 배제되며, 이는 3.6σ의 유의수준에 해당한다.
• 힉스 보손 너비는 ΓH = 3.2+2.4−1.7 MeV로 측정되었으며, 표준모형 예측인 4.1 MeV와 일치한다.
• W 및 Z 보손 쌍과의 이심 힉스 결합에 대한 제약이 설정되었으며, 유의미한 이심은 관측되지 않았다.
• 검출기 해상도의 한계를 극복하고 오프셸 생성을 통해 힉스 너비를 추출할 수 있음을 입증하였다.
• 이 결과는 ZZ 진동 질량 스펙트럼의 고질량 영역에서 오프셸 힉스 보손 기여에 대한 첫 번째 직접 증거를 제공한다.