[논문 리뷰] Measurements of the Higgs boson production cross section and couplings in the W boson pair decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2386명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 2016–2018년 동안 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 H → WW 붕괴 채널에서 힉스 보존의 생성 단면적과 결합 상수를 정밀 측정한다. 신호 강도 수정 계수 µ는 0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹로 측정되었으며, 오차 범위 내에서 표준모형 예측과 일치한다. 이전 분석에 비해 VBF, VH 및 동일 전하 쌍 레프톤 최종 상태에 대한 감도가 향상되었다.

ABSTRACT

Production cross sections of the standard model Higgs boson decaying to a pair of W bosons are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis targets Higgs bosons produced via gluon fusion, vector boson fusion, and in association with a W or Z boson. Candidate events are required to have at least two charged leptons and moderate missing transverse momentum, targeting events with at least one leptonically decaying W boson originating from the Higgs boson. Results are presented in the form of inclusive and differential cross sections in the simplified template cross section framework, as well as couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions. The data set collected by the CMS detector during 2016-2018 is used, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed production rate in a given decay channel to the standard model expectation, is measured to be $\mu$ = 0.95$^{+0.10}_{-0.09}$. All results are found to be compatible with the standard model within the uncertainties.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 H → WW 붕괴 채널에서 다양한 생성 메커니즘에 대한 향상된 감도를 확보하여 힉스 보존 생성 단면적을 측정한다.
• 단순화된 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크를 이용해 포함형 및 미분 단면적을 통해 벡터 보존 및 페르미온과의 힉스 보존 결합 상수를 탐색한다.
• 이전에 측정되지 않은 최종 상태인 동일 페르미온 쌍 레프톤 및 VH 생성에서의 삼레프톤 최종 상태에 대한 감도를 확장하고, CMS에서 처음으로 동일 전하 레프톤을 가진 WH 생성을 측정한다.
• 2016–2018년 동안의 더 큰 통합 루미너스티 138 fb⁻¹과 고도의 분석 기법을 통해 측정 정확도를 향상시킨다.

제안 방법

• 이벤트 선택은 최소 두 개의 양성자 레프톤과 중간 정도의 미소 가로 운동량을 포함하는 최종 상태를 대상으로 하며, H → WW 붕괴에서 레프톤으로 붕괴하는 최소 한 개의 W 보존을 포함하는 사건에 집중한다.
• 분석은 단순화된 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크를 활용하여 여러 생성 모드인 글루온 융합(ggH), 벡터 보존 융합(VBF), W 또는 Z 보존과의 연계 생성(VH)에 대해 포함형 및 미분 단면적을 측정한다.
• 배경 추정은 데이터 기반 기법과 시뮬레이션을 사용하며, 주요 배경인 토프 쿼크 및 Drell-Yan 과정의 세밀한 모델링이 수행된다.
• 체계적 불확도는 제트 에너지 스케일, 레프톤 및 미소 가로 운동량 재구성, 피로율 영향 및 루미너스티에 대한 전용 연구를 통해 평가되며, 데이터의 제어 영역을 이용한 보정이 적용된다.
• 관측된 수확량을 표준모형 예측과 비교하여, 여러 최종 상태 및 생성 카테고리에 동시에 피팅함으로써 신호 강도 수정 계수 µ를 추출한다.
• 고도의 다변량 기법과 운동량 분리 기준을 사용하여 감도를 향상시키며, 특히 동일 페르미온 레프톤과 강입자 붕괴를 보이는 벡터 보존을 포함한 VBF 및 VH 최종 상태에서 효과적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 H → WW 붕괴 채널에서 힉스 보존 생성의 측정된 신호 강도 수정 계수 µ는 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 STXS 프레임워크 내에서 다양한 생성 메커니즘(ggH, VBF, VH)에 따라 힉스 보존 생성의 미분 단면적은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 벡터 보존 및 페르미온과의 힉스 보존 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇이며, 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ4 동일 페르미온 쌍 레프톤 및 삼레프톤 최종 상태와 같은 새로운 최종 상태의 포함이 특정 생성 모드에 대한 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 CMS 실험에서 처음으로 관측된 WH 생성에서 동일 전하 레프톤을 가진 결과의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 신호 강도 수정 계수 µ는 0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹로 측정되어 실험적 오차 범위 내에서 표준모형 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 단순화된 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크 내에서 미분 단면적이 보고되었으며, 여러 단계 공간 영역에서의 생성 메커니즘에 대한 세밀한 제약 조건을 제공한다.
• 동일 페르미온 쌍 레프톤 및 삼레프톤 최종 상태와 같은 새로운 최종 상태를 포함함으로써 VBF 및 연계 생성(VH)에 대한 감도가 향상되었다.
• CMS에서 처음으로 동일 전하 레프톤을 가진 WH 생성이 측정되었으며, 희귀한 힉스 생성 채널을 탐색할 수 있는 능력을 입증했다.
• 측정된 모든 단면적과 결합 상수는 표준모형 예측과 일치하며, 유의미한 편차는 관측되지 않았다.
• 더 큰 통합 루미너스티 138 fb⁻¹과 새로운 분석 기법 덕분에 이전 런 2 측정에 비해 정밀도가 향상되었다.