[논문 리뷰] Measurements of Higgs boson production cross-sections in the $H o au^{+} au^{-}$ decay channel in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2952명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 $pp$ 충돌 데이터 총 139 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $H \to \tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에서 힉스 보손 생성 단면적의 정밀 측정을 제시한다. 포함형 단면적은 $2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pb로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측인 $3.17 \pm 0.09$ pb와 뛰어난 일치를 보이며, 최적화된 이벤트 분류 및 고도화된 배경 모델링 기법을 사용해 네 가지 주요 생성 모드에 대한 추가 측정이 수행되었다.

ABSTRACT

Measurements of the production cross-sections of the Standard Model (SM) Higgs boson ($H$) decaying into a pair of $τ$-leptons are presented. The measurements use data collected with the ATLAS detector from $pp$ collisions produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $139\, ext{fb}^{-1}$. Leptonic ($τ o\ellν_{\ell}ν_τ$) and hadronic ($τ o ext{hadrons}~ν_τ$) decays of the $τ$-lepton are considered. All measurements account for the branching ratio of $H oττ$ and are performed with a requirement $|y_H|<2.5$, where $y_H$ is the true Higgs boson rapidity. The cross-section of the $pp o H oττ$ process is measured to be $2.94 \pm 0.21 ext{(stat)} ^{+\,0.37}_{-\,0.32} ext{(syst)}$ pb, in agreement with the SM prediction of $3.17\pm0.09~ \mbox{pb}$. Inclusive cross-sections are determined separately for the four dominant production modes: $2.65 \pm 0.41 ext{(stat)} ^{+\,0.91}_{-\,0.67} ext{(syst)}$ pb for gluon$-$gluon fusion, $0.197 \pm 0.028 ext{(stat)} ^{+\,0.032}_{-\,0.026} ext{(syst)}$ pb for vector-boson fusion, $0.115 \pm 0.058 ext{(stat)} ^{+\,0.042}_{-\,0.040} ext{(syst)}$ pb for vector-boson associated production, and $0.033 \pm 0.031 ext{(stat)} ^{+\,0.022}_{-\,0.017} ext{(syst)}$ pb for top-quark pair associated production. Measurements in exclusive regions of the phase space, using the simplified template cross-section framework, are also performed. All results are in agreement with the SM predictions.

연구 동기 및 목표

• 139 fb$^{-1}$의 런 2 전체 데이터셋을 사용하여 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 $H \to \tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에서의 포함형 힉스 보손 생성 단면적을 정밀 측정하는 것.
• 글루온-글루온 융합(ggF), 벡터보손 융합(VBF), 벡터보손 연관 생성(VH), 톰-쿼크 쌍 연관 생성(ttH)의 네 가지 주요 생성 모드의 단면적을 분리하여 측정하는 것.
• 간단한 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크에 기반한 개선된 이벤트 분류를 통해 힉스 보손 신호에 대한 민감도를 향상시키며, 고운동량 힉스 보손 및 특정 최종 상태에 대한 새로운 분류 기준을 포함하는 것.
• 특히 $Z \to \tau\tau$ 및 잘못 식별된 잡이 배경에 대해 새로운 단순화된 임bedding 기법과 데이터 기반 방법을 사용해 배경 모델링을 향상시키는 것.

제안 방법

• 신호 및 배경 수확량을 추출하기 위해 11개의 신호 영역(SR)과 다수의 제어 영역(CR)을 정의한 바인딩 최대우도 적합을 수행한다. 각 영역은 특정 운동역학적 및 위상적 조건을 기반으로 한다.
• 이벤트 분류는 재구성된 힉스 보손의 횡방향 운동량($p_T(H)$), 잡의 수, 잡의 종류에 기반하며, VBF, V(had)H, ttH 생성 모드에 특화된 카테고리가 별도로 마련되어 있다.
• 배경는 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 기반 기법의 조합을 통해 모델링되며, $Z \to \tau\tau$ 사건을 추정하기 위해 단순화된 임베딩 방법을 사용한다. 이 방법은 $Z \to \ell\ell$ 붕괴의 횡방향 운동량을 스케일링하여 적용한다.
• 다변량 분류기의 최적화를 통해 각 카테고리에서 신호 순도를 향상시키며, 특히 $H \to \tau\tau$ 신호와 주요 $Z \to \tau\tau$ 및 잘못 식별된 잡 배경을 구분하는 데 중점을 둔다.
• 실험적 영향(예: 물체 재구성, 에너지 스케일), 신호 및 배경 모델링의 이론적 불확실성, 신호 수용률 변화에 기인한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 측정는 주로 $m_{\text{MMC}}^{\tau\tau}$의 불변 질량 분포를 사용하며, 각 카테고리에서 기여하는 모든 과정에 대한 템플릿을 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 $\sqrt{s} = 13$ TeV 조건 하에서 $H \to \tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에서의 포함형 힉스 보손 생성 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 ggF, VBF, VH, ttH의 네 가지 주요 생성 모드에서의 단면적은 $H \to \tau\tau$ 최종 상태에서 표준모형 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 최적화된 이벤트 분류 및 다변량 분석을 통해 $H \to \tau\tau$ 붕괴 채널에서 신호 대 배경 비율은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 새로운 단순화된 임베딩 기법은 전통적 방법에 비해 $Z \to \tau\tau$ 배경을 모델링하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 관측된 신호 수확량은 표준모형 예측과 비교해 어떤 정도의 의미를 가지며, $(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$ 기준으로 어떻게 정량화되는가?

주요 결과

• 포함형 $pp \to H \to \tau\tau$ 생성 단면적은 $2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pb로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측인 $3.17 \pm 0.09$ pb와 매우 우수한 일치를 보인다.
• 글루온-글루온 융합(ggF)의 단면적은 $2.65 \pm 0.41^{+0.91}_{-0.67}$ pb로 측정되었으며, 표준모형 기대치와 일치한다.
• 벡터보손 융합(VBF) 기여는 $0.197 \pm 0.028^{+0.032}_{-0.026}$ pb로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• 벡터보손 연관 생성(VH), 신규 V(had)H 카테고리 포함, $0.115 \pm 0.058^{+0.042}_{-0.040}$ pb로 측정되었으며, 표준모형과 일치한다.
• 톰-쿼크 쌍 연관 생성(ttH) 단면적은 $0.033 \pm 0.031^{+0.022}_{-0.017}$ pb로 측정되었으며, 통계적 수치가 낮아 큰 불확실성이 존재하지만 표준모형 예측과 일치한다.
• 관측된 신호 강도, 즉 $(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$는 $0.93^{+0.12}_{-0.11}$로 측정되어 표준모형과의 의미 있는 편차 없이 일치함을 시사한다.