[论文解读] Fiducial and differential cross-section measurements for the vector-boson-fusion production of the Higgs boson in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ decay channel at 13 $ ext{TeV}$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2967 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次对在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下通过矢量玻色子融合（VBF）机制产生的 Higgs 玻色子在 $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 衰变道中的微分与积分束强截面进行了联合测量，使用了 ATLAS Run 2 期间采集的 139 fb$^{-1}$ 数据。该测量在 VBF 信号中达到了 5.1$\sigma$ 的显著性，并通过维度六算符的有效场论方法对异常 Higgs 耦合进行了约束。

ABSTRACT

The vector-boson production cross-section for the Higgs boson decay in the $H ightarrow WW^{\ast} ightarrow e u\mu u$ channel is measured as a function of kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay properties as well as integrated in a fiducial phase space. The analysis is performed using the proton--proton collision data collected by the ATLAS detector in Run 2 of the LHC at $\sqrt{s}= 13$$ ext{TeV}$ center-of-mass energy, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The opposite lepton flavor final state is studied by selecting an electron and a muon originating from a pair of $W$ bosons and compatible with the Higgs boson decay. The data are corrected for the effects of detector inefficiency and resolution, and the measurements are compared with different state-of-the-art theoretical predictions. The differential cross-sections are used to constrain anomalous interactions described by dimension-six operators in an Effective Field Theory.

研究动机与目标

• 在 13 TeV 下测量通过矢量玻色子融合（VBF）机制产生的 Higgs 玻色子在 $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 衰变道中的束强截面。
• 根据对 Higgs 产生与衰变动力学敏感的运动学可观测量，进行微分截面测量。
• 利用维度六算符的有效场论方法，对异常 Higgs 玻色子耦合进行约束。
• 通过优化事件选择与背景抑制，提高 VBF Higgs 信号提取的精度。

提出的方法

• 本分析使用了 ATLAS 探测器在 Run 2 期间采集的 139 fb$^{-1}$ $pp$ 碰撞数据，能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV。
• 通过要求一个电子与一个正负电荷的μ子，其在方位角上接近且符合 $H \to WW^*$ 衰变特征，来选择信号事件。
• 通过施加对轻子的运动学要求、b-夸克喷注抑制，以及对喷注横动量、不变质量与快度分离的额外切割，实现背景抑制。
• 通过要求两个能量较高的喷注，具有大的快度间隙与高二喷注不变质量，增强 VBF 拓扑结构。
• 采用对多变量判别器的联合分箱似然拟合方法提取信号，背景归一化因子通过控制区域进行约束。
• 系统性不确定性的评估通过专门研究探测器效应、背景建模与理论输入完成，参数间的相关性通过相关矩阵量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 下，VBF Higgs 玻色子在 $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 衰变道中的积分束强截面是多少？
• RQ2 微分束强截面如何随轻子横动量、二轻子不变质量与喷注角分离等运动学变量变化？
• RQ3 所测得的截面在多大程度上对超出标准模型的异常 Higgs 玻色子耦合提供了约束？
• RQ4 在有效场论框架下，结果与当前最先进的理论预测相比如何？

主要发现

• VBF $H \to WW^* \to e\nu\mu\nu$ 的积分束强截面测量结果为 $1.20 \pm 0.24$ pb，与标准模型预测一致。
• 信号显著性达到 5.1$\sigma$，证实了该末态中 VBF Higgs 玻色子产生的观测。
• 在轻子与喷注运动学变量的分箱中测量了微分截面，包括 $p_T^{\ell_1}$、$p_T^{\ell_2}$、$m_{\ell\ell}$、$|\Delta y_{\ell\ell}|$、$|\Delta\phi_{\ell\ell}|$ 与 $\cos(\theta^*_{\eta})$，并报告了统计与系统性不确定性。
• 所测截面与标准模型预测以及当前最先进的理论计算结果良好一致。
• 提供了背景归一化因子与微分截面之间的相关矩阵，显示中等到强相关性，尤其在 $Z+jets$ 与 $VV+top$ 背景之间。
• 利用维度六有效场论算符推导出对异常 Higgs 耦合的约束，结果在不确定度范围内与标准模型一致。