[论文解读] Measurement of the Higgs boson inclusive and differential fiducial production cross sections in the diphoton decay channel with pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2400 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用LHC上CMS实验在√s = 13 TeV下采集的137 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对希格斯玻色子在二胶子衰变道中的总截面和微分束子截面进行了迄今为止最精确的测量。该研究采用改进的模拟修正方案和先进的重建技术，在多个运动学可观测量上实现了高精度、模型无关的测量，结果与标准模型预测的75.4 ± 4.1 fb高度一致。

ABSTRACT

The measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson decaying to a pair of photons are presented. The analysis is performed using proton-proton collisions data recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{−1}$. The inclusive fiducial cross section is measured to be $ {\sigma}_{ extrm{fid}}={73.4}_{-5.3}^{+5.4}{\left( extrm{stat} ight)}_{-2.2}^{+2.4}\left( extrm{syst} ight) $ fb, in agreement with the standard model expectation of 75.4 ± 4.1 fb. The measurements are also performed in fiducial regions targeting different production modes and as function of several observables describing the diphoton system, the number of additional jets present in the event, and other kinematic observables. Two double differential measurements are performed. No significant deviations from the standard model expectations are observed.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中，希格斯玻色子衰变为两个光子的总截面与微分束子截面。
• 提供不依赖于理论假设的、模型无关的束子截面测量结果。
• 通过将运动学可观测量的分箱数量大约翻倍，扩展了以往的测量，提升了精度。
• 引入ϕ∗η和τjC作为新微分可观测量，补充了现有的二胶子横动量测量。
• 在二胶子pT与喷流多重性、以及二胶子pT与τjC的双微分测量中进行分箱分析，提高了对产生动力学的敏感度。

提出的方法

• 利用LHC Run 2期间CMS探测器在√s = 13 TeV下采集的137 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用新开发的模拟修正方案，以减小电磁簇射建模带来的主要实验系统误差的影响。
• 基于探测器接受度定义束子区域，并利用事件级质量分辨率估计器对信号候选进行分类。
• 采用先进的光子、喷流及事件级可观测量重建与校准技术，包括粒子流重建和反-kT算法喷流聚类。
• 使用XGBoost和多目标回归等机器学习技术，提升事件分类能力并抑制背景。
• 在多个可观测量上执行微分测量：二胶子系统运动学、喷流横动量、二喷流系统以及包括ϕ∗η和τjC在内的事件级变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中，希格斯玻色子衰变为两个光子的总束子截面是多少？
• RQ2 微分束子截面如何随二胶子横动量、喷流多重性及其他运动学可观测量变化？
• RQ3 在不同束子区域和可观测量中，测量结果与标准模型预期的偏离程度如何？
• RQ4 与传统的pT基测量相比，新可观测量ϕ∗η和τjC在提升对希格斯玻色子产生动力学的敏感度方面有何优势？
• RQ5 与以往使用相似末态的CMS分析相比，束子截面测量的精度提升了多少？

主要发现

• 总束子截面测量结果为σfid = 73.4+5.4−5.3 (统计)+2.4−2.2 (系统) fb，与标准模型预测的75.4 ± 4.1 fb高度一致。
• 与以往CMS出版物相比，大多数可观测量的分箱数量大约翻倍，显著提升了分辨率与精度。
• 在所有束子或微分测量中均未观察到与标准模型预期的显著偏离，包括ϕ∗η和τjC等新可观测量。
• 在二胶子pT与喷流多重性、以及二胶子pT与τjC的双微分测量中，分箱测量结果为希格斯产生机制提供了新的约束。
• 新的模拟修正方案有效降低了电磁簇射建模不确定性的影响，该不确定性在以往测量中是主要系统误差源。
• 本结果代表了迄今为止对H →γγ束子截面最精确的测量，作为Simplified Template Cross Section (STXS)框架的互补、模型无关的基准。