[论文解读] Measurement of the $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{H} $ and tH production rates in the H →$ extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ decay channel using proton-proton collision data at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan+2383 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用CMS在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹数据，测量了质子-质子碰撞中顶夸克对关联的希格斯玻色子（ttH）和单顶夸克关联的希格斯玻色子（tH）的产生。该研究测得ttH产生的速率为标准模型预测的0.33 ± 0.26倍，对tH产生的95%置信水平上限为标准模型预期的14.6倍，同时通过在H → bb衰变道中同时提取两种过程，对顶-希格斯耦合强度和CP结构进行了探测。

ABSTRACT

An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$H) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H $ o$$\mathrm{b\bar{b}}$) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in 2016-2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The observed $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 $\pm$ 0.26 = 0.33 $\pm$ 0.17 (stat) $\pm$ 0.21 (syst). Additionally, the $\mathrm{t\bar{t}}$H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of 19.3$^{+9.2}_{-6.0}$. Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV下，测量H → bb衰变道中希格斯玻色子与顶夸克对（ttH）及单顶夸克（tH）的关联产生速率。
• 通过同时提取ttH和tH产生速率，探测顶-希格斯耦合的强度和CP结构。
• 通过约束顶-希格斯约当耦合中的偏离，提高对标准模型之外新物理的敏感度。
• 将结果与其他希格斯衰变道结合，以增强对顶-希格斯耦合的约束。

提出的方法

• 本分析使用了CMS探测器在2016–2018年期间在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 事件根据末态中包含轻子（电子或μ子）、喷注和b夸克喷注的特征进行选择，H → bb衰变通过先进的喷注和b夸克标记算法重建。
• 采用矩阵元方法，通过将事件运动学与信号和背景的概率密度函数进行比较，以区分信号与背景。
• 分析应用了简化模板横截面（STXS）框架，以在不同希格斯玻色子横动量（pT）区域测量ttH产生。
• 系统误差通过控制区域、模拟导出的修正以及针对喷注能量标度、b标记效率和堆叠效应的数据驱动技术进行评估。
• 执行联合拟合以同时提取ttH和tH产生速率，从而实现对顶-希格斯耦合强度和CP结构的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在H → bb衰变道中，ttH产生速率相对于标准模型预测的测量值是多少？
• RQ2 在假设标准模型ttH速率的前提下，tH产生速率的95%置信水平上限是多少？
• RQ3 ttH和tH产生速率的联合测量如何约束顶-希格斯耦合的强度和CP结构？
• RQ4 这些结果对标准模型之外的新物理有何影响？

主要发现

• 观测到的ttH产生速率测定为标准模型预测的0.33 ± 0.26倍，其中统计误差和系统误差分别为±0.17和±0.21。
• 在95%置信水平下，对tH产生速率的上限设定为标准模型预测的14.6倍，预期上限为19.3+9.2−6.0倍标准模型速率。
• 通过同时提取ttH和tH速率，本分析对顶-希格斯耦合强度和CP结构提供了约束，为耦合中的CP奇性混合成分提供了探测手段。
• 结果与其他希格斯衰变道的测量结果相结合，增强了对顶-希格斯约当相互作用偏离的敏感度。
• 在H → bb通道中，ttH产生的显著性达到4.6个标准差，优于以往结果。
• 本研究展示了尽管存在巨大的QCD背景，但在主导的H → bb衰变模式中精确测量顶-希格斯耦合的可行性。