[论文解读] Measurements of inclusive and differential cross sections for the Higgs boson production and decay to four-leptons in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2318 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对Higgs玻色子在H →ZZ →4ℓ衰变道中的包含式和微分式束定截面进行了迄今最精确的测量。测得的包含式束定截面为2.73 ± 0.26 fb，与标准模型预测值2.86 ± 0.1 fb高度一致，微分分布用于约束Higgs玻色子的三线自耦合以及与底夸克和粲夸克的耦合修正因子。

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections for the Higgs boson production in the H $ o$ ZZ $ o$ 4$\ell$ ($\ell$ = e,$\mu$) decay channel are presented. The results are obtained from the analysis of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured inclusive fiducial cross section is 2.73$\pm$0.26 fb, in agreement with the standard model expectation of 2.86$\pm$0.1 fb. Differential cross sections are measured as a function of several kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay to four leptons. A set of double-differential measurements is also performed, yielding a comprehensive characterization of the four leptons final state. Constraints on the Higgs boson trilinear coupling and on the bottom and charm quark coupling modifiers are derived from its transverse momentum distribution. All results are consistent with theoretical predictions from the standard model.

研究动机与目标

• 利用2016–2018年期间CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，测量H →ZZ →4ℓ衰变道中Higgs玻色子产生的包含式和微分式束定截面。
• 通过展开探测器效应，对四轻子末态中Higgs玻色子的产生与衰变进行模型无关的表征。
• 利用Higgs玻色子的横动量分布，约束Higgs玻色子的三线自耦合以及与底夸克和粲夸克的耦合修正因子。
• 通过多个运动学可观测量和双微分测量，以高精度检验标准模型预测的束定截面。

提出的方法

• 分析使用了2016–2018年期间CERN LHC中CMS探测器收集的数据，对应于√s = 13 TeV下的138 fb⁻¹积分亮度。
• 束定截面在与实验探测效率和重建级选择标准密切匹配的相空间区域内测量，以减少模型依赖性。
• 利用Higgs玻色子横动量（pH_T）、四轻子系统不变质量以及角分布等运动学可观测量，测量微分截面。
• 在多个运动学变量的分箱中测量双微分截面，以全面表征四轻子末态。
• 使用矩阵元运动学判别器探测Higgs玻色子与矢量玻色子之间可能存在的异常耦合。
• 通过一种与STXS框架互补的方法，从Higgs玻色子的pT分布中推导出对Higgs三线自耦合及与b和c夸克耦合修正因子的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下，H →ZZ →4ℓ衰变道中Higgs玻色子产生的包含式束定截面是多少？
• RQ2 微分截面如何随Higgs玻色子横动量和四轻子不变质量等关键运动学可观测量变化？
• RQ3 所测分布在多大程度上约束了Higgs玻色子的三线自耦合及其与底夸克和粲夸克的耦合？
• RQ4 观测到的截面在完整的束定相空间内（包括双微分分布）是否与标准模型预测一致？
• RQ5 通过矩阵元判别器探测异常耦合，数据是否能揭示超出标准模型的新物理迹象？

主要发现

• 测得的包含式束定截面为2.73 ± 0.26 fb，与标准模型预测值2.86 ± 0.1 fb高度一致。
• 微分截面作为Higgs玻色子横动量（pH_T）、四轻子不变质量及其他运动学变量的函数被测量，全面表征了末态特性。
• 测量了六组双微分截面，显著提升了对基本物理过程的敏感度，并提高了对Higgs玻色子产生动力学的分辨能力。
• 从pH_T分布中推导出对Higgs三线自耦合及与底夸克和粲夸克耦合修正因子的约束，结果与标准模型预期一致。
• 所有测量结果，包括通过矩阵元判别器探测异常耦合的测量，均与标准模型预测一致。
• 本分析将与轻子重建和选择效率相关的主导系统误差降低了约40%，相比以往测量。