[论文解读] Measurement of the associated production of a top-antitop-quark pair and a Higgs boson decaying into a $b\bar{b}$ pair in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV using the ATLAS detector at the LHC

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞中采集的140 fb⁻¹数据，对顶夸克对与衰变为底夸克的希格斯玻色子（ttH(bb)）的产生过程进行了最精确的测量。通过采用先进的多类别神经网络和改进的b-夸克喷注识别技术，分析达到了4.6σ的显著性（预期为5.4σ），测得截面为411⁺¹⁰¹₋₉₂ fb，与标准模型预测的507⁺³⁵₋₅₀ fb一致。

ABSTRACT

This paper reports the measurement of Higgs boson production in association with a $t\bar{t}$ pair in the $H ightarrow b\bar{b}$ decay channel. The analysis uses 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV proton$-$proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The final states with one or two electrons or muons are employed. An excess of events over the expected background is found with an observed (expected) significance of 4.6 (5.4) standard deviations. The $t\bar{t}H$ cross-section is $\sigma_{t\bar{t}H} = 411^{+101}_{-92}$ fb $= 411 \pm 54( ext{stat.}) ^{+85}_{-75}( ext{syst.})$ fb for a Higgs boson mass of 125.09 GeV, consistent with the prediction of the Standard Model of $507^{+35}_{-50}$ fb. The cross-section is also measured differentially in bins of the Higgs boson transverse momentum within the simplified template cross-section framework.

研究动机与目标

• 测量在H→bb衰变道中顶-反顶夸克对与希格斯玻色子的联合产生截面。
• 在不假设圈修正过程中的新物理的前提下，直接探测顶夸克-希格斯耦合。
• 通过减小背景不确定性，特别是tt+jets过程的不确定性，提升灵敏度。
• 利用简化模板截面（STXS）框架，在六个区间内对希格斯玻色子横动量（pT）进行微分截面测量。
• 通过先进的多变量技术与优化的蒙特卡罗模拟，提高信号接受度并增强背景控制。

提出的方法

• 分析使用了ATLAS探测器在2015–2018年运行2期间收集的140 fb⁻¹ 13 TeV质子-质子对撞数据。
• 事件选择基于单轻子和双轻子末态，包含一个或两个电子或μ子。
• 采用多类别神经网络对事件进行分类，基于信号与背景成分，尤其用于分离tt+jets贡献。
• 改进的b-夸克喷注识别与专用多变量判别器提升了信号分离能力，并改善了希格斯玻色子横动量重建。
• 背景通过改进设置的先进蒙特卡罗模拟进行建模，尤其针对tt+≥1b和tt+≥1c过程。
• 系统性不确定性的评估通过专用控制区域和数据驱动修正实现，尤其针对非真实轻子和轻夸克喷注背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，ttH(bb)产生的截面测量值是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ2 改进的b-夸克喷注识别与多类别事件分类在多大程度上提升了信号灵敏度并增强了背景抑制？
• RQ3 在ttH(bb)通道中，观测到的过量相对于预期背景的显著性如何？
• RQ4 希格斯玻色子横动量（pT）的六个区间内，微分截面如何变化？
• RQ5 优化的tt+jets背景建模对系统性不确定性的减小有何影响？

主要发现

• 观测到4.6σ的显著性（预期为5.4σ），表明与背景预测相比存在显著过量。
• 测得的ttH(bb)截面为σttH = 411⁺¹⁰¹₋₉₂ fb（统计误差±54 fb，系统误差+85₋₇₅ fb），与标准模型预测的507⁺³⁵₋₅₀ fb一致。
• 信号强度（即测量截面与标准模型截面之比）为0.81⁺⁰.²⁰₋₀.¹⁸，与标准模型一致。
• 在六个希格斯玻色子横动量（pT）区间内测量了截面：0–60、60–120、120–200、200–300、300–450和≥450 GeV。
• 在最高pT区间（>450 GeV）中，主要不确定性来源于事件计数较少导致的统计限制。
• 由于改进的专用蒙特卡罗模拟与数据驱动修正，tt+≥1b过程的建模不确定性不再主导系统性不确定性。