[论文解读] Measurement of the Higgs boson mass with $H ightarrow γγ$ decays in 140 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2947 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 3

一句话总结

本文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，针对H → γγ衰变道，实现了对希格斯玻色子质量的高精度测量。通过采用改进的光子能量标定方法和优化的事件分类策略，测得质量为125.17 ± 0.11（统计）± 0.09（系统）GeV，不确定性达到1.1‱——迄今最精确的单一通道测量结果。

ABSTRACT

The mass of the Higgs boson is measured in the $H oγγ$ decay channel, exploiting the high resolution of the invariant mass of photon pairs reconstructed from the decays of Higgs bosons produced in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV. The dataset was collected between 2015 and 2018 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider, and corresponds to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The measured value of the Higgs boson mass is $125.17 \pm 0.11 \mathrm{(stat.)} \pm 0.09 \mathrm{(syst.)}$ GeV and is based on an improved energy scale calibration for photons, whose impact on the measurement is about four times smaller than in the previous publication. A combination with the corresponding measurement using 7 and 8 TeV $pp$ collision ATLAS data results in a Higgs boson mass measurement of $125.22 \pm 0.11 \mathrm{(stat.)} \pm 0.09 \mathrm{(syst.)}$ GeV. With an uncertainty of 1.1 per mille, this is currently the most precise measurement of the mass of the Higgs boson from a single decay channel.

研究动机与目标

• 利用H → γγ衰变道，以尽可能高的精度测量希格斯玻色子质量。
• 降低光子能量标定中的系统不确定性，该不确定性对质量分辨率有显著影响。
• 利用完整的Run 2数据集140 fb⁻¹，提升希格斯玻色子质量测量的统计显著性和准确性。
• 将新结果与先前的Run 1数据结合，实现迄今最精确的单一通道希格斯玻色子质量测定。
• 通过提供高度精确的希格斯玻色子质量值，支持全局电弱拟合和真空稳定性研究。

提出的方法

• 分析使用了ATLAS探测器在2015至2018年间收集的140 fb⁻¹的√s = 13 TeV质子-质子碰撞数据。
• 基于两个高能光子的严格识别与隔离标准选择事件，以抑制背景。
• 对二光子不变质量（mγγ）分布进行轮廓似然拟合，以提取对应于希格斯玻色子质量的峰位。
• 信号与背景模型源自模拟事件样本，并对探测器效应和重建偏差应用校正。
• 通过控制区域、数据驱动方法以及校准参数的变动来评估系统不确定性。
• 根据分辨率与信号-背景比将事件分类为互斥类别，以增强灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用完整的Run 2数据集，H → γγ衰变道对希格斯玻色子质量的最精确测量结果是什么？
• RQ2 改进的光子能量标定如何降低希格斯质量测量中的系统不确定性？
• RQ3 事件分类对希格斯质量测定的灵敏度与精度有何影响？
• RQ4 Run 2与Run 1数据的结合如何降低希格斯玻色子质量的总体不确定性？
• RQ5 新测量结果在多大程度上约束了电弱真空的稳定性？

主要发现

• 利用140 fb⁻¹数据，在H → γγ衰变道中测得希格斯玻色子质量为125.17 ± 0.11（统计）± 0.09（系统）GeV。
• 与以往测量相比，光子能量标定的不确定性降低了四倍，显著提升了测量精度。
• 与Run 1数据结合后，测得希格斯玻色子质量为125.22 ± 0.11（统计）± 0.09（系统）GeV，总不确定性为1.1‱。
• 这是迄今最精确的单一通道希格斯玻色子质量测量结果，精度超过以往所有结果。
• 改进的标定与分析策略降低了主要系统不确定性，增强了结果在全局拟合与真空稳定性测试中的可靠性。
• 该结果支持标准模型的一致性，并为电弱精确测试提供了关键输入。