[논문 리뷰] Measurements of Higgs boson production in the decay channel with a pair of $ au $ leptons in proton–proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2351명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 측정한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 H → ττ 붕괴 채널에서 힉스 보손 생성을 종합적으로 측정한다. 신경망 분석과 컷 기반 분류를 통해 16개의 운동량 영역에서 표준모형 대비 신호 강도를 측정하였으며, 포함형 힉스 생성에 대해 0.82 ± 0.11, 글루온 융합에 대해 0.67 ± 0.19, 벡터 보손 융합에 대해 0.81 ± 0.17, 벡터 보손 연관 생성에 대해 1.79 ± 0.45를 얻었다.

ABSTRACT

Measurements of Higgs boson production, where the Higgs boson decays into a pair of $ au$ leptons, are presented, using a sample of proton-proton collisions collected with the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Three analyses are presented. Two are targeting Higgs boson production via gluon fusion and vector boson fusion: a neural network based analysis and an analysis based on an event categorization optimized on the ratio of signal over background events. These are complemented by an analysis targeting vector boson associated Higgs boson production. Results are presented in the form of signal strengths relative to the standard model predictions and products of cross sections and branching fraction to $ au$ leptons, in up to 16 different kinematic regions. For the simultaneous measurements of the neural network based analysis and the analysis targeting vector boson associated Higgs boson production signal strengths are found to be 0.82$\pm$0.11 for inclusive Higgs boson production, 0.67$\pm$0.19 (0.81$\pm$0.17) for the production mainly via gluon fusion (vector boson fusion), and 1.79$\pm$0.45 for vector boson associated Higgs boson production.

연구 동기 및 목표

• 138 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 사용해 √s = 13 TeV에서 H → ττ 붕괴 채널에서 힉스 보손 생성을 고정밀도로 측정한다.
• 특히 타우 렙톤과의 결합에 민감한 표준모형 예측을 시험하며, 새로운 물리학이 존재할 가능성을 탐색한다.
• 간편화된 템플릿 단면적(STXS) 체계를 사용해 차별 측정을 수행함으로써 다양한 생성 모드와 붕괴 채널 간 비교를 가능하게 한다.
• 고급 다변량 기법을 활용해 글루온 융합, 벡터 보손 융합, 벡터 보손 연관 생성 등의 힉스 보손 생성 메커니즘에 대한 감도를 향상시킨다.
• 미래의 정밀한 힉스 결합 측정을 위한 기준을 제공하고, 새로운 물리학을 시사하는 편차 탐색을 가능하게 한다.

제안 방법

• 신호를 배경과 구분하기 위해 다중분류 신경망(NN)을 사용하며, NN 출력을 주요 분류 기준으로 삼는다.
• 신호 대 배경 최적화를 위해 1차원 및 2차원의 타우 및 제트 운동량 기반 분류 기준을 사용하는 컷 기반(CB) 분석을 시행한다.
• 16개의 운동량 영역으로 이벤트를 분류하기 위해 STXS 스테이지-0 및 스테이지-1.2 체계를 적용하여 다양한 생성 모드의 차별 측정를 가능하게 한다.
• 주요 배경, 특히 다중제트 및 Drell-Yan 과정을 추정하기 위해 데이터 기반 기법과 임bedded 시뮬레이션을 사용한다.
• NN 분석과 VH 분석을 조합하여 포함형, 스테이지-0, 스테이지-1.2의 신호 강도 및 σ × Br(H → ττ) 값을 추출한다.
• 검출기 효과, 배경 모델링 및 이론적 입력에서 기인하는 체계적 불확실성을 통합하며, 제어 영역과 시뮬레이션 비교를 통해 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H → ττ 붕괴 채널에서 글루온 융합, 벡터 보손 융합, 벡터 보손 연관 생성에 의한 힉스 보손 생성에 대한 신호 강도는 무엇인가?
• RQ2 STXS 체계에 의해 정의된 다양한 운동량 영역에서 측정된 신호 강도는 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 신경망 기반 분석과 컷 기반 분석 간의 상대적 감도는 힉스 생성 모드를 제약하는 데 얼마나 다른가?
• RQ4 16개의 STXS 박스에서 측정된 σ × Br(H → ττ) 값은 표준모형 예측을 지지하는가 아니면 도전하는가?
• RQ5 NN 및 VH 분석의 조합은 개별 분석보다 더 강력하고 정밀한 타우 렙톤과의 힉스 결합 측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• H → ττ 붕괴 채널에서 포함형 힉스 보손 생성의 신호 강도는 0.82 ± 0.11로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• 글루온 융합 생성의 경우 신호 강도는 0.67 ± 0.19로 나타나 표준모형 예측보다 약간 낮지만 통계적 불확실성 범위 내에 있다.
• 벡터 보손 융합 생성의 경우 신호 강도는 0.81 ± 0.17로 표준모형과 1.1σ 이내에서 일치한다.
• 벡터 보손 연관 생성(VH)의 경우 신호 강도는 1.79 ± 0.45로 표준모형 예측보다 뚜렷이 높지만 2.0σ 범위 내에서 일치한다.
• STXS 스테이지-0 qqH 박스에서는 신경망 기반 분석이 컷 기반 분석 대비 30% 높은 감도를 확보했으며, 스테이지-1.2 ggH 및 qqH 박스에서는 평균 30–40% 높은 감도를 확보했다.
• NN 및 VH 분석의 조합이 주요 결과를 제공하며, 최대 16개의 운동량 영역에서 STXS 스테이지-0 및 스테이지-1.2 체계에 따라 신호 강도 및 σ × Br(H → ττ) 값을 보고한다.