[논문 리뷰] Measurements of inclusive and differential cross sections for the Higgs boson production and decay to four-leptons in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2318명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 2016–2018년 동안 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 H →ZZ →4ℓ 붕괴 채널에서 힉스 보손 생성의 포함 및 미분 허용 단면적을 가장 정밀하게 측정한다. 측정된 포함 허용 단면적 2.73 ± 0.26 fb는 표준모형 예측인 2.86 ± 0.1 fb와 뛰어난 일치를 보이며, 이는 힉스 보손의 삼중 자기결합 및 쿼크에 대한 결합 상수 수정 계수를 제약하기 위해 사용된다.

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections for the Higgs boson production in the H $ o$ ZZ $ o$ 4$\ell$ ($\ell$ = e,$\mu$) decay channel are presented. The results are obtained from the analysis of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured inclusive fiducial cross section is 2.73$\pm$0.26 fb, in agreement with the standard model expectation of 2.86$\pm$0.1 fb. Differential cross sections are measured as a function of several kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay to four leptons. A set of double-differential measurements is also performed, yielding a comprehensive characterization of the four leptons final state. Constraints on the Higgs boson trilinear coupling and on the bottom and charm quark coupling modifiers are derived from its transverse momentum distribution. All results are consistent with theoretical predictions from the standard model.

연구 동기 및 목표

• 138 fb⁻¹의 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 H →ZZ →4ℓ 붕괴 채널에서의 힉스 보손 생성에 대한 포함 및 미분 허용 단면적을 측정한다.
• 검출기 효과를 풀어내어 4-렙톤 종단 상태에서의 힉스 보손 생성 및 붕괴를 모형에 종속되지 않은 방식으로 특성화한다.
• 히iggs 보손의 횡방향 운동량 분포를 사용하여 힉스 보손의 삼중 자기결합 및 b 및 c 쿼크에 대한 결합 상수 수정 계수를 제약한다.
• 다양한 운동량 관측량과 이중미분 측정을 통해 허용 단면적을 고정밀도로 테스트하여 표준모형 예측을 검증한다.

제안 방법

• 분석은 CERN의 LHC에서 2016–2018년 동안 CMS 검출기에서 확보한 데이터를 사용하며, √s = 13 TeV에서의 통합 루미너시 138 fb⁻¹에 해당한다.
• 허용 단면적은 모델 의존성을 줄이기 위해 실험적 수용 범위와 재구성 수준의 선택 기준에 가까운 운동량 공간 영역 내에서 측정된다.
• 히iggs 보손의 횡방향 운동량(pH_T), 4-렙톤 시스템의 진동 질량, 그리고 각도 분포와 같은 운동량 관측량을 사용하여 미분 단면적을 측정한다.
• 다중 운동량 변수의 박스에 걸쳐 이중미분 단면적을 측정하여 4-렙톤 종단 상태를 종합적으로 특성화한다.
• 행렬 원소 운동량 분류기법을 사용하여 힉스 보손이 벡터 보손과의 비정상적 결합을 가지는지 탐색한다.
• STXS 프레임워크와 보완적인 방법을 사용하여 힉스 보손의 삼중 자기결합 및 b 및 c 쿼크에 대한 결합 상수 수정 계수를 힉스 보손의 pT 분포에서 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 H →ZZ →4ℓ 붕괴 채널에서의 힉스 보손 생성에 대한 포함 허용 단면적은 얼마인가?
• RQ2 히iggs 보손의 횡방향 운동량 및 4-렙톤 진동 질량과 같은 주요 운동량 관측량에 따라 미분 단면적은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 측정된 분포는 힉스 보손의 삼중 자기결합 및 b 및 c 쿼크에 대한 결합에 얼마나 강하게 제약을 가하는가?
• RQ4 모든 허용 단면적 공간, 이중미분 분포를 포함하여 관측된 단면적은 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ5 비정상적 결합 탐지 기반의 매트릭스 원소 분류기법을 통해 데이터는 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상의 흔적을 드러내는가?

주요 결과

• 측정된 포함 허용 단면적은 2.73 ± 0.26 fb이며, 표준모형 예측인 2.86 ± 0.1 fb와 뛰어난 일치를 보인다.
• 히iggs 보손의 횡방향 운동량(pH_T), 4-렙톤 진동 질량 및 기타 운동량 변수에 대한 함수로 미분 단면적이 측정되었으며, 종단 상태의 종합적 특성화가 이루어졌다.
• 6개의 이중미분 단면적이 측정되었으며, 이는 기본 물리적 메커니즘에 대한 감도 향상과 힉스 보손 생성 역학의 더 높은 해상도 확보에 기여한다.
• pH_T 분포에서 유도된 힉스 보손의 삼중 자기결합 및 b 및 c 쿼크에 대한 결합 상수 수정 계수에 대한 제약 조건은 표준모형 기대값과 일치한다.
• 매트릭스 원소 분류기법을 통한 비정상적 결합에 민감한 모든 측정 결과는 표준모형 예측과 일치한다.
• 이 분석은 이전 측정 대비 렙톤 재구성 및 선택 효율과 관련된 주요 시스템적 불확실성 약 40% 감소를 달성하였다.