[论文解读] Combined Measurement of the Higgs Boson Mass from the H→γγ and H→ZZ*→4ℓ Decay Channels with the ATLAS Detector Using s=7, 8, and 13 TeV pp Collision Data

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2991 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文利用在 √s = 13 TeV 下获得的 140 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，结合 Run 1 时期 7 和 8 TeV 的数据，通过 H→γγ 和 H→ZZ*→4ℓ 衰变道联合测量了希格斯玻色子质量，精度达到 125.11 ± 0.11 GeV（0.09%）。该结果得益于改进的校准与分析技术，为希格斯玻色子质量测定设立了新基准。

ABSTRACT

A measurement of the mass of the Higgs boson combining the H→ZZ*→4ℓ and H→γγ decay channels is presented. The result is based on 140 fb-1 of proton-proton collision data collected by the ATLAS detector during LHC run 2 at a center-of-mass energy of 13 TeV combined with the run 1 ATLAS mass measurement, performed at center-of-mass energies of 7 and 8 TeV, yielding a Higgs boson mass of 125.11±0.09(stat)±0.06(syst)=125.11±0.11 GeV. This corresponds to a 0.09% precision achieved on this fundamental parameter of the Standard Model of particle physics.

研究动机与目标

• 通过联合使用衰变道，提高希格斯玻色子质量测量的精度。
• 将 Run 2 数据（13 TeV）与先前的 Run 1 数据（7 和 8 TeV）整合，以增强统计功效。
• 通过先进的光子和μ子能量/动量校准，减小系统不确定度。
• 实现迄今为止最精确的希格斯玻色子质量测定，以检验标准模型的一致性。

提出的方法

• 使用轮廓似然比方法，从不变质量分布中提取希格斯玻色子质量。
• 对 H→γγ 和 H→ZZ*→4ℓ 衰变道中的 14 个互斥事件类别进行联合拟合。
• 利用模拟的信号与背景样本，对信号形状建模并估计系统不确定度。
• 引入受约束的 nuisance 参数，以建模能量标度和分辨率等系统效应。
• 采用改进的光子能量校准（降低不确定度）和更新的μ子动量校准。
• 通过平方和法合并统计不确定度与系统不确定度，以确定总不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合 H→γγ 和 H→ZZ*→4ℓ 衰变道时，希格斯玻色子质量的最精确值是多少？
• RQ2 Run 2 中探测器校准的改进在多大程度上提升了希格斯质量测量的精度？
• RQ3 结合 Run 1 和 Run 2 数据集在多大程度上降低了统计与系统不确定度？
• RQ4 测量得到的希格斯质量与标准模型的预测在多大程度上一致？
• RQ5 优化的事件分类与信号建模对质量分辨率与灵敏度有何影响？

主要发现

• 联合测量得到的希格斯玻色子质量为 125.11 ± 0.11 GeV，精度达到 0.09%。
• 统计不确定度为 0.09 GeV，系统不确定度为 0.06 GeV。
• 该结果超越了此前基于部分 Run 2 数据（36.1 fb⁻¹）的 ATLAS 测量结果，并整合了 Run 1 和 Run 2 的数据集。
• 改进的光子能量校准降低了 H→γγ 衰变道中不确定度的贡献。
• 增强的μ子动量校准减少了 H→ZZ*→4ℓ 衰变道中的系统效应。
• 该测量结果与标准模型一致，并为希格斯玻色子性质测量设立了新基准。