[論文レビュー] Study of High-Transverse-Momentum Higgs Boson Production in Association with a Vector Boson in the $qqbb$ Final State with the ATLAS Detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2933 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ATLAS検出器を用いた13 TeVの陽子-陽子衝突データ137 fb⁻¹を用いて、高横運動量のヒッグスボソンがベクトルボソン（VH）と連関して生成される現象を、完全にハドロン最終状態であるqqbbで初めて観測した。大半径のジェットとジェット構造解析技術を用い、bタギングを組み合わせることで、包含的VH生成断面積を3.1±1.3（統計）⁺¹.⁸₋₁.⁴（系）pbとして測定した。これは標準模型予測に対する信号強度μ = 1.4⁺¹.⁰₋₀.⁹に相当する。

ABSTRACT

This Letter presents the first study of Higgs boson production in association with a vector boson (V = W or Z) in the fully hadronic $qqbb$ final state using data recorded by the ATLAS detector at the LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{-1}$. The vector bosons and Higgs bosons are each reconstructed as large-radius jets and tagged using jet substructure techniques. Dedicated tagging algorithms exploiting $b$-tagging properties are used to identify jets consistent with Higgs bosons decaying into $b\bar{b}$. Dominant backgrounds from multijet production are determined directly from the data, and a likelihood fit to the jet mass distribution of Higgs boson candidates is used to extract the number of signal events. The VH production cross section is measured inclusively and differentially in several ranges of Higgs boson transverse momentum: 250-450, 450-650, and greater than 650 GeV. The inclusive signal yield relative to the standard model expectation is observed to be $μ= 1.4 ^{+1.0}_{-0.9}$ and the corresponding cross section is $3.1 \pm 1.3\, (stat.)\: ^{+1.8}_{-1.4}\, (syst.$) pb.

研究の動機と目的

• 高横運動量におけるベクトルボソン（W/Z）と連関して生成されるヒッグスボソンの包含的および微分断面積を測定すること。
• 完全にハドロン的崩壊チャンネルH→bb̄を活用して、高運動量領域におけるVH生成における新しい物理の寄与を探ること。
• 多ジェット最終状態におけるブーストされたヒッグスボソンを同定するための高度なジェット構造解析およびbタギング技術の妥当性を検証すること。
• 主なバックグラウンドの推定にモンテカルロシミュレーションへの依存を最小限に抑えるために、データから直接信号yieldを抽出するための尤度関数フィットを実施すること。

提案手法

• ジェット構造解析技術を用いて、大半径ジェット（R = 1.0）としてベクトルボソンおよびヒッグスボソンを再構築する。
• ヒッグス崩壊H→bb̄と整合するジェットを特定するための専用のbタギングアルゴリズムを適用し、ヒッグス信号の純度を向上させる。
• ヒッグス候補ジェットのインヴァリアント質量分布に対する尤度関数フィットを実施し、信号イベントを抽出する。マルチジェットバックグラウンドはデータから直接推定する。
• 小さなバックグラウンド（tt̄、V+jets、VV）はモンテカルロシミュレーションを用いてモデル化し、Z+jetsの正規化を自由フィットパラメータとして扱う。
• 微分断面積測定のため、イベントを3つのpT(H)領域に分ける：250–450 GeV、450–650 GeV、および>650 GeV。
• フルGeant4ベースのシミュレーションを用いて、検出器効果およびパイルアップ補正を組み込んだ、ジェット質量スペクトルの同時フィットを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高ヒッグス横運動量領域における完全にハドロン的qqbb最終状態でのVH生成の包含的断面積はいかほどか？
• RQ2 ヒッグスボソンの横運動量が増加するに従って、VH生成の微分断面積はどのように変化するか？
• RQ3 ジェット構造解析およびbタギング技術が、多ジェット最終状態におけるブーストされたヒッグスボソンをどの程度解像できるか？
• RQ4 この挑戦的な位相空間において、データ駆動型バックグラウンド推定とモンテカルロシミュレーションの結果はどの程度一致するか？
• RQ5 この高pT領域における標準模型予測に対する信号強度はどの程度か？

主な発見

• 包含的VH生成断面積は3.1±1.3（統計）⁺¹.⁸₋₁.⁴（系）pbとして測定され、標準模型の予測と整合的である。
• 標準模型に対する信号強度はμ = 1.4⁺¹.⁰₋₀.⁹であり、SM予測からの顕著なずれは認められない。
• 本分析は、ヒッグスボソンの横運動量が650 GeVを超える領域に対しても感度を有しており、現在の半レプトン的測定を上回る。
• 主なマルチジェットバックグラウンドはデータから直接推定されており、シミュレーションに起因する系統的不確実性が低減された。
• Z+jetsバックグラウンド、特にZ→bb̄崩壊が誤ってヒッグス候補と識別される部分は、フィットにおいて自由パラメータとして扱われ、解析のロバスト性が向上した。
• 本研究は、高pT領域における高度なジェット構造解析およびbタギング技術を用いた完全にハドロン的VH解析の実現可能性と精度を示した。