[论文解读] Measurements of Higgs boson production cross-sections in the $H o au^{+} au^{-}$ decay channel in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2952 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本论文利用LHC运行2期间ATLAS探测器收集的139 fb$^{-1}$ $pp$对撞数据，在$ sqrt{s} = 13$ TeV下对Higgs玻色子在$H \to \tau^+\tau^-$衰变道中的产生截面进行了精确测量。测量得到的总截面为$2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pb，与标准模型预测的$3.17 \pm 0.09$ pb高度一致，同时通过优化的事件分类和先进的背景建模技术，对四种主要产生模式进行了额外测量。

ABSTRACT

Measurements of the production cross-sections of the Standard Model (SM) Higgs boson ($H$) decaying into a pair of $τ$-leptons are presented. The measurements use data collected with the ATLAS detector from $pp$ collisions produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $139\, ext{fb}^{-1}$. Leptonic ($τ o\ellν_{\ell}ν_τ$) and hadronic ($τ o ext{hadrons}~ν_τ$) decays of the $τ$-lepton are considered. All measurements account for the branching ratio of $H oττ$ and are performed with a requirement $|y_H|<2.5$, where $y_H$ is the true Higgs boson rapidity. The cross-section of the $pp o H oττ$ process is measured to be $2.94 \pm 0.21 ext{(stat)} ^{+\,0.37}_{-\,0.32} ext{(syst)}$ pb, in agreement with the SM prediction of $3.17\pm0.09~ \mbox{pb}$. Inclusive cross-sections are determined separately for the four dominant production modes: $2.65 \pm 0.41 ext{(stat)} ^{+\,0.91}_{-\,0.67} ext{(syst)}$ pb for gluon$-$gluon fusion, $0.197 \pm 0.028 ext{(stat)} ^{+\,0.032}_{-\,0.026} ext{(syst)}$ pb for vector-boson fusion, $0.115 \pm 0.058 ext{(stat)} ^{+\,0.042}_{-\,0.040} ext{(syst)}$ pb for vector-boson associated production, and $0.033 \pm 0.031 ext{(stat)} ^{+\,0.022}_{-\,0.017} ext{(syst)}$ pb for top-quark pair associated production. Measurements in exclusive regions of the phase space, using the simplified template cross-section framework, are also performed. All results are in agreement with the SM predictions.

研究动机与目标

• 利用139 fb$^{-1}$的完整运行2数据集，在$\sqrt{s} = 13$ TeV下精确测量$H \to \tau^+\tau^-$衰变道中Higgs玻色子的总产生截面。
• 区分并测量四种主要Higgs玻色子产生模式（胶子-胶子融合，ggF；矢量玻色子融合，VBF；矢量玻色子伴随产生，VH；顶夸克对伴随产生，ttH）的截面。
• 通过基于简化模板截面（STXS）框架的优化事件分类，包括高-$p_T$ Higgs和特定末态的新类别，提升对Higgs玻色子信号的灵敏度。
• 通过新型简化嵌入技术与数据驱动方法，改进背景建模，特别是$Z \to \tau\tau$和误识别喷流的背景。

提出的方法

• 分析采用分箱的最大似然拟合方法，从11个信号区域（SRs）和多个控制区域（CRs）中提取信号与背景事例数，每个区域均基于特定的运动学和拓扑标准定义。
• 事件分类基于重建的Higgs玻色子横动量（$p_T(H)$）、喷流数量和喷流类型，对VBF、V(had)H和ttH产生模式设有专门类别。
• 背景通过蒙特卡罗模拟与数据驱动技术相结合的方式建模，包括一种简化嵌入方法，通过缩放$Z \to \ell\ell$衰变的横动量来估计$Z \to \tau\tau$事件。
• 多变量判别器在各类别中经过优化，以增强信号纯度，尤其用于区分$H \to \tau\tau$与主要的$Z \to \tau\tau$及误识别喷流背景。
• 系统误差评估涵盖实验效应（如对象重建、能量标度）、信号与背景建模中的理论不确定性，以及信号接受度的变化。
• 测量以$m_{\text{MMC}}^{\tau\tau}$不变质量分布为主要判别变量，每个类别中均构建了所有贡献过程的模板。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 13$ TeV下，Higgs玻色子在$H \to \tau^+\tau^-$衰变道中的总产生截面是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ2 在$H \to \tau\tau$末态中，四种主要Higgs玻色子产生模式（ggF、VBF、VH、ttH）的截面与标准模型预期相比如何？
• RQ3 通过优化的事件分类和多变量分析，$H \to \tau\tau$衰变道中的信号与背景比可改善到何种程度？
• RQ4 与传统方法相比，新型简化嵌入技术在建模$Z \to \tau\tau$背景方面效果如何？
• RQ5 观测到的信号事例数相对于标准模型预测的显著性如何？其量化指标$(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$是多少？

主要发现

• 在$pp \to H \to \tau\tau$过程中的总截面测量值为$2.94 \pm 0.21^{+0.37}_{-0.32}$ pb，与标准模型预测的$3.17 \pm 0.09$ pb高度一致。
• 胶子-胶子融合（ggF）过程的截面测量值为$2.65 \pm 0.41^{+0.91}_{-0.67}$ pb，与标准模型预期一致。
• 矢量玻色子融合（VBF）贡献的截面测量值为$0.197 \pm 0.028^{+0.032}_{-0.026}$ pb，与标准模型预测一致。
• 与矢量玻色子的伴随产生（VH），包括新引入的V(had)H类别，截面测量值为$0.115 \pm 0.058^{+0.042}_{-0.040}$ pb，与标准模型一致。
• 顶夸克对伴随产生（ttH）的截面测量值为$0.033 \pm 0.031^{+0.022}_{-0.017}$ pb，尽管因统计量不足导致不确定性较大，但仍与标准模型预测一致。
• 观测到的信号强度，定义为$(\sigma \times B)/(\sigma \times B)_{\text{SM}}$，为$0.93^{+0.12}_{-0.11}$，表明与标准模型无显著偏离。