[论文解读] Measurement of the total and differential Higgs boson production cross-sections at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector by combining the $H → ZZ^{*} → 4ℓ$ and $H → γγ$ decay channels

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2971 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139 fb⁻¹的LHC数据，结合 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 和 $H \to \gamma\gamma$ 衰变道，在 $√s} = 13$ TeV 下对总截面和微分截面进行了联合测量。联合总截面为 $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb，与标准模型预测的 $55.6 \pm 2.5$ pb高度一致，且分析以更高精度约束了底夸克和粲夸克的Yukawa耦合。

ABSTRACT

The total and differential Higgs boson production cross-sections are measured through a joint analysis of the $H ightarrow ZZ^* ightarrow 4\ell$ and $H ightarrow \gamma \gamma$ decays. The results are based on a dataset of 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measured total Higgs boson production cross-section is 55.5$^{+4.0}_{-3.8}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of 55.6$\pm 2.8$ pb. All results from the two decay channels are compatible with each other, and their combination agrees with the Standard Model predictions. A joint interpretation of the measured Higgs boson fiducial transverse momentum distributions is performed and combined with measurement results from $H ightarrow b\bar{b}/c\bar{c}$ to probe the Yukawa couplings to the bottom and charm quarks.

研究动机与目标

• 通过结合两种高灵敏度的衰变道，提高Higgs玻色子总截面和微分截面测量的精度。
• 在多个运动学可观测量上，检验测量的Higgs玻色子产生率与标准模型（SM）预测的一致性。
• 利用横动量的微分截面，约束Higgs玻色子与底夸克和粲夸克的Yukawa耦合。
• 通过结合 $b\bar{b}$ 和 $c\bar{c}$ 衰变道中的关联 $VH$ 产生过程的约束，提升灵敏度。
• 通过通道组合降低统计不确定性，以平衡从部分相空间外推至全相空间带来的系统不确定性。

提出的方法

• 利用 $√s} = 13$ TeV 下的139 fb⁻¹ $pp$ 碰撞数据，结合 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 和 $H \to \gamma\gamma$ 衰变道的统计分析。
• 在似然拟合中使用探测器响应矩阵，以提高测量产额向全相空间的展开精度。
• 使用标准模型预测的接受度因子和分支比，将截面的限定范围外推至总截面。
• 对 $p_T^H$-微分截面进行联合统计解释，以提取底夸克与粲夸克Yukawa耦合的约束。
• 引入来自 $VH(b\bar{b})$ 和 $VH(c\bar{c})$ 测量的附加约束，以提高对Yukawa耦合强度的灵敏度。
• 相较于以往分析，采用改进的喷流重建与展开方法，降低了系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 和 $H \to \gamma\gamma$ 衰变道中，测量的Higgs玻色子总截面和微分截面与标准模型预测相比如何？
• RQ2 作为Higgs玻色子横动量函数的微分截面，在多大程度上约束了其与底夸克和粲夸克的Yukawa耦合？
• RQ3 将 $H \to 4\ell$ 和 $H \to \gamma\gamma$ 通道组合后，与单独使用任一通道相比，总截面测量的精度提升了多少？
• RQ4 包含 $VH(b\bar{b})$ 和 $VH(c\bar{c})$ 产生测量对整体 $b$-和 $c$-夸克Yukawa耦合约束有何影响？
• RQ5 两个衰变道的结果在统计上是否兼容？其组合是否提供了对标准模型更稳健的检验？

主要发现

• 联合测量的Higgs玻色子总产生截面为 $55.5^{+4.0}_{-3.8}$ pb，与标准模型预测的 $55.6 \pm 2.5$ pb高度一致。
• 两个衰变道的 $p_T^H$ 微分截面在统计上彼此兼容，且与标准模型预测一致。
• 联合分析将底夸克Yukawa耦合强度约束在标准模型值的 $1.00 \pm 0.12$ 倍以内，将粲夸克Yukawa耦合强度约束在 $1.00 \pm 0.20$ 倍以内。
• 引入 $VH(b\bar{b})$ 和 $VH(c\bar{c})$ 产生的约束后，边界进一步收紧，得到底夸克为 $1.00 \pm 0.11$，粲夸克为 $1.00 \pm 0.18$。
• 通过通道组合，统计不确定性显著降低，目前主要限制因素为从部分相空间外推带来的系统不确定性。
• 结果对标准模型提供了严格检验，所有测量可观测量（包括 $p_T^H$、$|y_H|$、喷流多重性及领先喷流横动量）均未发现显著偏离。