[论文解读] Measurement of the Higgs boson production via vector boson fusion and its decay into bottom quarks in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2333 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 56被引用 1

一句话总结

本论文利用CMS实验收集的90.8 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，测量了通过矢量玻色子融合（VBF）产生的希格斯玻色子及其衰变为底夸克（bb）的过程。VBF产生模式的信号强度测量结果为µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶，显著性为2.4σ，与标准模型预测一致。

ABSTRACT

A measurement of the Higgs boson (H) production via vector boson fusion (VBF) and its decay into a bottom quark-antiquark pair ($\mathrm{b\bar{b}}$) is presented using proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 90.8 fb$^{-1}$. Treating the gluon-gluon fusion process as a background and constraining its rate to the value expected in the standard model (SM) within uncertainties, the signal strength of the VBF process, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is measured to be $\mu^ ext{qqH}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 1.01$^{+0.55}_{-0.46}$. The VBF signal is observed with a significance of 2.4 standard deviations relative to the background prediction, while the expected significance is 2.7 standard deviations. Considering inclusive Higgs boson production and decay into bottom quarks, the signal strength is measured to be $\mu^ ext{incl.}_\mathrm{Hb\bar{b}}$ = 0.99$^{+0.48}_{-0.41}$, corresponding to an observed (expected) significance of 2.6 (2.9) standard deviations.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，通过矢量玻色子融合（VBF）产生并衰变为底夸克（bb）的希格斯玻色子的产生速率。
• 检验观测到的VBF H→bb信号产生速率与标准模型预测的一致性。
• 通过利用VBF事例独有的运动学特征和喷流子结构特征，抑制主要的QCD多喷流背景。
• 通过回归技术提升喷流能量分辨率，从而提高信号的灵敏度。
• 将胶子-胶子融合背景率约束在标准模型预测值，从而隔离出VBF信号。

提出的方法

• 使用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的90.8 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用事件选择标准，优先选择包含两个前向/后向VBF喷流和两个来自H→bb衰变的中央b夸克喷流的四喷流末态。
• 采用喷流能量分辨率回归技术，提升喷流横向动量的分辨率，从而改善信号分离。
• 利用b夸克标记和运动学截断，抑制QCD多喷流背景，利用VBF喷流与b夸克喷流之间低强子活动性的特征。
• 通过控制区域和数据驱动技术进行背景估计，采用对多个类别同时拟合的方式提取信号。
• 将胶子-胶子融合（ggH）背景率固定为标准模型预测值，以隔离VBF信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过矢量玻色子融合产生并衰变为底夸克的希格斯玻色子的产生速率是否与标准模型预测一致？
• RQ2 在存在巨大QCD多喷流背景的条件下，能否以足够显著性观测到VBF H→bb信号？
• RQ3 喷流能量分辨率修正和b夸克标记在提升VBF H→bb通道灵敏度方面的有效性如何？
• RQ4 与标准模型预期相比，VBF H→bb产生模式的测量信号强度是多少？
• RQ5 观测到的显著性与无信号情况下的预期显著性相比如何？

主要发现

• VBF希格斯玻色子衰变为底夸克的信号强度测量结果为µqqH_Hbb = 1.01⁺⁰.⁵⁵₋₀.⁴⁶，与标准模型预测一致。
• VBF信号的观测显著性为2.4个标准差，而预期显著性为2.7个标准差。
• 对于希格斯玻色子的总产生和衰变为底夸克的过程，信号强度测量结果为µincl_Hbb = 0.99⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴¹，观测显著性为2.6σ，预期显著性为2.9σ。
• 该分析将胶子-胶子融合背景率约束在标准模型预测值，从而实现了VBF信号的清晰提取。
• 结果与标准模型一致，在13 TeV下VBF H→bb通道中未发现显著偏离。
• 通过利用先进的喷流重建和背景抑制技术，该测量显著提升了对VBF H→bb的灵敏度。