[论文解读] Measurement of the $H ightarrow \gamma \gamma $ and $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4 \ell $ cross-sections in pp collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2934 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次报告了在 √s = 13.6 TeV 的质子-质子碰撞中，ATLAS 实验对希格斯玻色子产生截面的测量结果，分别使用了 31.4 fb⁻¹ 和 29.0 fb⁻¹ 的数据，对应 H → γγ 和 H → ZZ* → 4ℓ 衰变道。在经过探测器展开（unfolding）后，将截面外推至完整相空间，得到联合总截面为 58.2 ± 8.7 pb，与标准模型预测值 59.9 ± 2.6 pb 非常一致。

ABSTRACT

The inclusive Higgs boson production cross-section is measured in the di-photon and the $ZZ^* o 4 \ell$ decay channels using 31.4 and 29.0 fb$^{-1}$ of $pp$ collision data respectively, collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13.6$ TeV. To reduce the model dependence, the measurement in each channel is restricted to a particle-level phase space that closely matches the channel's detector-level kinematic selection, and it is corrected for detector effects. These measured fiducial cross-sections are $σ_{\mathrm{fid},γγ} = 76^{+14}_{-13}$ fb, and $σ_{\mathrm{fid},4 \ell} = 2.80 \pm 0.74$ fb, in agreement with the corresponding Standard Model predictions of $67.6 \pm 3.7 $ fb and $3.67 \pm 0.19 $ fb. Assuming Standard Model acceptances and branching fractions for the two channels, the fiducial measurements are extrapolated to the full phase space yielding total cross-sections of $σ(pp o H) = 67^{+12}_{-11}$ pb and $46 \pm 12$ pb at $13.6$ TeV from the di-photon and $ZZ^* o 4 \ell$ measurements respectively. The two measurements are combined into a total cross-section measurement of $σ(pp o H)= 58.2 \pm 8.7$ pb, to be compared with the Standard Model prediction of $σ(pp o H)_\mathrm{SM} = 59.9 \pm 2.6 $ pb.

研究动机与目标

• 在新的 LHC 中心系能量 13.6 TeV 下，测量希格斯玻色子在 H → γγ 和 H → ZZ* → 4ℓ 衰变道中的产生截面。
• 通过将测量限制在与探测器级选择匹配的截断相空间，并利用展开方法校正探测器效应，以减少模型依赖性。
• 利用标准模型的分支比和探测效率，将截断截面外推至完整相空间。
• 将两个衰变道的测量结果合并，得到更精确的总希格斯玻色子产生截面。
• 在目前可用的最高能量下，检验希格斯玻色子性质与标准模型预测的一致性。

提出的方法

• 使用 ATLAS 探测器在 √s = 13.6 TeV 下收集的 31.4 fb⁻¹ 和 29.0 fb⁻¹ 的质子-质子碰撞数据。
• 基于粒子级动量学标准进行事件重建与选择，尽可能贴近探测器级要求，以最小化模型依赖性。
• 在 H → γγ 和 H → ZZ* → 4ℓ 两个衰变道中，对重建的不变质量谱应用拟合程序以提取信号产额。
• 利用包含精确希格斯玻色子质量（125.09 ± 0.24 GeV）和探测器响应修正的模拟事件进行信号建模。
• 通过数据驱动方法和模拟相结合进行背景建模，对所有主要系统误差源（包括探测器分辨率、刻度和效率）进行评估。
• 通过展开方法提取截断截面，随后利用标准模型分支比和探测效率将结果外推至完整相空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 13.6 TeV 下，希格斯玻色子在 H → γγ 衰变道中的截断截面测量结果是多少？
• RQ2 在 √s = 13.6 TeV 下，希格斯玻色子在 H → ZZ* → 4ℓ 衰变道中的截断截面测量结果是多少？
• RQ3 各衰变道的截断截面如何外推至完整相空间的总产生截面？
• RQ4 来自两个衰变道的联合总希格斯玻色子产生截面是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ5 在 13.6 TeV 下，测量的希格斯玻色子产生率是否与标准模型预期一致？

主要发现

• H → γγ 衰变道的截断截面测量结果为 σfid,γγ = 76+14−13 fb，与标准模型预测值 67.6 ± 3.7 fb 一致。
• H → ZZ* → 4ℓ 衰变道的截断截面测量结果为 σfid,4ℓ = 2.80 ± 0.74 fb，与标准模型预测值 3.67 ± 0.19 fb 一致。
• 从 H → γγ 衰变道外推得到的总截面为 σ(pp → H) = 67+12−11 pb，从 H → ZZ* → 4ℓ 衰变道外推得到的总截面为 46 ± 12 pb。
• 两个衰变道联合得到的总截面为 58.2 ± 8.7 pb，与标准模型预测值 59.9 ± 2.6 pb 非常一致。
• 测量的截面未显示与标准模型预期存在显著偏离，支持标准模型对希格斯玻色子产生的描述。
• 本结果代表了在 13.6 TeV 中心系能量下首次对希格斯玻色子产生进行的截断截面和总截面测量。