[논문 리뷰] Measurement of the total and differential Higgs boson production cross-sections at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector by combining the $H → ZZ^{*} → 4ℓ$ and $H → γγ$ decay channels

ATLAS Collaboration, Aad, Georges외 2971명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 데이터 139 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $√{s} = 13$ TeV 조건에서 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 와 $H \to \gamma\gamma$ 붕괴 채널을 이용해 총 및 미분 힉스 보손 생성 단면적을 통합 측정한다. 통합 총 단면적 $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb 는 표준모형 예측값인 $55.6 \pm 2.5$ pb 와 뛰어난 일치를 보이며, 분석은 바텀 및 찌르개 쿼크에 대한 요카다 상호작용을 더 높은 정밀도로 제약한다.

ABSTRACT

The total and differential Higgs boson production cross-sections are measured through a joint analysis of the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ and $H ightarrow \gamma \gamma$ decays. The results are based on a dataset of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measured total Higgs boson production cross-section is 55.5$^{+4.0}_{-3.8}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of 55.6$\pm 2.8$ pb. All results from the two decay channels are compatible with each other, and their combination agrees with the Standard Model predictions. A joint interpretation of the measured Higgs boson fiducial transverse momentum distributions is performed and combined with measurement results from $H ightarrow b\bar{b}/c\bar{c}$ to probe the Yukawa couplings to the bottom and charm quarks.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 매우 민감한 붕괴 채널을 통합하여 힉스 보손 총 및 미분 단면적 측정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 다양한 운동량 관측량을 통해 측정된 힉스 보손 생성률이 표준모형(SM) 예측과 일관된지 테스트하기 위해.
• 횡방향 운동량에 대한 미분 단면적을 사용하여 힉스 보손의 바텀 및 찌르개 쿼크에 대한 요카다 상호작용을 제약하기 위해.
• $b\bar{b}$ 와 $c\bar{c}$ 붕괴 모드에서의 연관 $VH$ 생성을 통합하여 감도를 향상시키기 위해.
• 통합 채널을 통해 통계적 불확실성을 감소시키고, 전체 위상공간으로의 외삽에 따른 체계적 불확실성을 상쇄하기 위해.

제안 방법

• 139 fb$^{-1}$ 의 $pp$ 충돌 데이터를 사용하여 $√{s} = 13$ TeV 조건에서 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 와 $H \to \gamma\gamma$ 붕괴 채널의 통계 분석을 통합한다.
• 측정된 수율을 전체 위상공간으로 복원하기 위해 가능도 최적화에 탐측기 반응 행렬을 사용한다.
• 표준모형 예측 수용율 및 분해비를 사용하여 유효 단면적을 총 단면적으로 외삽한다.
• 총 단면적에 대한 $p_T^H$-미분 단면적의 통합 통계적 해석을 수행하여 바텀 및 찌르개 쿼크에 대한 요카다 상호작용에 대한 제약를 추출한다.
• 감도 향상을 위해 $VH(b\bar{b})$ 와 $VH(c\bar{c})$ 측정 결과에서 추가 제약 조건을 통합한다.
• 이전 분석에 비해 향상된 제트 재구성 및 복원 절차를 적용하여 체계적 편향을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 와 $H \to \gamma\gamma$ 채널의 총 및 미분 힉스 보손 생성 단면적이 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 히iggs 보손의 횡운동량 함수로서의 미분 단면적이 바텀 및 찌르개 쿼크에 대한 요카다 상호작용을 어느 정도 제약하는가?
• RQ3 $H \to 4\ell$ 와 $H \to \gamma\gamma$ 채널을 통합하면 개별 채널 대비 총 단면적 측정 정밀도가 어떻게 향상되는가?
• RQ4 $VH(b\bar{b})$ 와 $VH(c\bar{c})$ 생성 측정 결과를 포함할 경우 바텀 및 찌르개 쿼크에 대한 요카다 상호작용의 전체 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 두 붕괴 채널의 결과는 통계적으로 호환되는가, 그리고 그들의 통합은 표준모형에 대한 더 견고한 시험을 제공하는가?

주요 결과

• 통합 총 힉스 보손 생성 단면적은 $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb 로 측정되었으며, 표준모형 예측값인 $55.6 \pm 2.5$ pb 와 뛰어난 일치를 보였다.
• 두 붕괴 채널의 $p_T^H$ 에 따른 미분 단면적은 상호 간 및 표준모형 예측과 통계적으로 호환되었다.
• 통합 분석을 통해 바텀 쿼크에 대한 요카다 상호작용 강도는 표준모형 값의 $1.00 \pm 0.12$ 배 이내로 제약되었으며, 찌르개 쿼크에 대해서는 $1.00 \pm 0.20$ 배 이내로 제약되었다.
• $VH(b\bar{b})$ 와 $VH(c\bar{c})$ 생성 측정 결과의 제약를 통합함으로써 제약 범위가 더욱 좁아졌으며, 바텀 쿼크에 대해 $1.00 \pm 0.11$, 찌르개 쿼크에 대해 $1.00 \pm 0.18$ 으로 개선되었다.
• 채널 통합을 통해 통계적 불확실성이 크게 감소하였으며, 주요 제한 요소는 이제 전체 위상공간으로의 외삽에 따른 체계적 불확실성으로 전환되었다.
• 측정된 관측량인 $p_T^H$, $|y_H|$, 제트 다중도, 주요 제트의 횡운동량 등에서 어떤 의미 있는 편차도 관측되지 않아 표준모형에 대한 엄격한 시험이 이루어졌음을 보여주었다.