[论文解读] Measurement of the Higgs boson width and evidence of its off-shell contributions to ZZ production

A. Tumasyan, W. Adam+2356 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文首次提供了在LHC质子-质子碰撞中产生非壳上Higgs玻色子的证据，利用CMS数据测量了Higgs玻色子宽度。测量得到的宽度为ΓH = 3.2+2.4−1.7 MeV，与标准模型预测的4.1 MeV一致，并在3.6σ显著性水平下排除了无非壳上贡献的场景。

ABSTRACT

Since the discovery of the Higgs boson in 2012, detailed studies of its properties have been ongoing. Besides its mass, its width - related to its lifetime - is an important parameter. One way to determine this quantity is by measuring its off-shell production, where the Higgs boson mass is far away from its nominal value, and relating it to its on-shell production, where the mass is close to the nominal value. Here, we report evidence for such off-shell contributions to the production cross section of two Z bosons with data from the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. We constrain the total rate of the off-shell Higgs boson contribution beyond the Z boson pair production threshold, relative to its standard model expectation, to the interval [0.0061, 2.0] at 95% confidence level. The scenario with no off-shell contribution is excluded at a $p$-value of 0.0003 (3.6 standard deviations). We measure the width of the Higgs boson as $\Gamma_{\mathrm{H}}$ = 3.2 $_{-1.7}^{+2.4}$ MeV, in agreement with the standard model expectation of 4.1 MeV. In addition, we set constraints on anomalous Higgs boson couplings to W and Z boson pairs.

研究动机与目标

• 通过非壳上产生方式在ZZ末态中测量Higgs玻色子宽度，该方法对粒子的寿命和衰变宽度敏感。
• 通过约束ZZ产生中的非壳上贡献，检验标准模型对ΓH = 4.1 MeV的预测。
• 搜索Higgs玻色子与W和Z玻色子耦合的偏离，这些偏离可能暗示新物理的存在。
• 通过基于ZZ不变质量谱中干涉效应的创新方法，提高Higgs玻色子宽度的测量精度。

提出的方法

• 利用CERN大型强子对撞机上的CMS探测器分析√s = 13 TeV的质子-质子碰撞数据。
• 通过测量ZZ → 4ℓ末态（ℓ = e, μ）重建ZZ系统的不变质量，重点关注高于ZZ阈值的高质量区域。
• 对不变质量分布进行联合拟合，以提取非壳上Higgs贡献，利用Higgs交换与连续ZZ产生之间的干涉效应。
• 使用相对论性Breit–Wigner分布对非壳上Higgs信号进行建模，并通过截面比例关系将非壳上与壳上产生率联系起来。
• 利用关系式σ_off-shell ∝ ΓH × µ_p，其中µ_p为信号强度，通过非壳上与壳上率的比值提取Higgs宽度。
• 进行统计检验，以约束非壳上贡献相对于标准模型预期的大小，排除零贡献在3.6σ显著性水平下。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量得到的Higgs玻色子宽度是多少？与标准模型预测的4.1 MeV相比如何？
• RQ2 在高质量区域的ZZ → 4ℓ末态中，是否存在非壳上Higgs玻色子产生的证据？
• RQ3 Higgs玻色子与W和Z玻色子的异常耦合在多大程度上影响观测到的非壳上信号？
• RQ4 考虑到LHC探测器的质量分辨率有限，能否通过非壳上产生方式高精度提取Higgs玻色子宽度？

主要发现

• 在95%置信水平下，非壳上Higgs对ZZ产生的贡献被限制在标准模型预期的[0.0061, 2.0]倍之间。
• 无非壳上贡献的场景被排除，p值为0.0003，对应3.6σ显著性。
• Higgs玻色子宽度测量结果为ΓH = 3.2+2.4−1.7 MeV，与标准模型预测的4.1 MeV一致。
• 对Higgs玻色子与W和Z玻色子对的异常耦合施加了约束，未观察到显著偏离。
• 该测量证明了通过非壳上产生方式提取Higgs宽度的可行性，克服了探测器分辨率的限制。
• 该结果提供了首次直接证据，表明在ZZ不变质量谱的高质量区域中，非壳上Higgs玻色子对ZZ产生的贡献存在。