[论文解读] Measurements of the Higgs boson production cross section and couplings in the W boson pair decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2386 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对H → WW衰变道中的希格斯玻色子产生截面和耦合进行了精确测量。信号强度修正因子µ的测量结果为0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹，与标准模型预测在不确定度范围内一致，相较于以往分析，对VBF、VH以及同号 dilepton末态的灵敏度有所提升。

ABSTRACT

Production cross sections of the standard model Higgs boson decaying to a pair of W bosons are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis targets Higgs bosons produced via gluon fusion, vector boson fusion, and in association with a W or Z boson. Candidate events are required to have at least two charged leptons and moderate missing transverse momentum, targeting events with at least one leptonically decaying W boson originating from the Higgs boson. Results are presented in the form of inclusive and differential cross sections in the simplified template cross section framework, as well as couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions. The data set collected by the CMS detector during 2016-2018 is used, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The signal strength modifier $\mu$, defined as the ratio of the observed production rate in a given decay channel to the standard model expectation, is measured to be $\mu$ = 0.95$^{+0.10}_{-0.09}$. All results are found to be compatible with the standard model within the uncertainties.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV下，通过提升对多种产生机制的灵敏度，测量H → WW衰变道中希格斯玻色子的产生截面。
• 在简化模板截面（STXS）框架下，利用包含截面和微分截面，探测希格斯玻色子与矢量玻色子及费米子的耦合。
• 扩展对先前未测量末态的灵敏度，包括VH产生中的同味 dilepton末态和三轻子末态，并首次在CMS中测量WH产生中同号轻子末态。
• 通过先进的分析技术及2016–2018年期间获得的138 fb⁻¹更大积分亮度，提升测量精度。

提出的方法

• 事件选择聚焦于至少包含两个带电轻子和中等缺失横向动量的末态，重点关注至少一个来自H → WW衰变的W玻色子发生轻子衰变的事件。
• 分析采用简化模板截面（STXS）框架，测量多种产生模式（胶子-胶子融合（ggH）、矢量玻色子融合（VBF）、与W或Z玻色子的关联产生（VH））的包含截面和微分截面。
• 背景估计采用数据驱动技术与模拟相结合，对主要背景（如顶夸克和Drell-Yan过程）进行详细建模。
• 系统性不确定度通过专门研究喷流能量标度、轻子和缺失横向动量重建、堆叠效应及亮度影响进行评估，并利用数据中的控制区域进行校正。
• 通过同时拟合多个末态和产生类别，提取信号强度修正因子µ，并将观测产率与标准模型预期进行比较。
• 采用先进的多变量技术与运动学判别器以增强灵敏度，尤其针对具有同味轻子和强子衰变矢量玻色子的VBF和VH末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下，H → WW衰变道中希格斯玻色子产生的信号强度修正因子µ的测量值是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ2 在STXS框架下，不同产生机制（ggH、VBF、VH）的希格斯玻色子产生微分截面如何变化？
• RQ3 对希格斯玻色子与矢量玻色子及费米子耦合的约束结果如何？是否与标准模型预期一致？
• RQ4 包含新末态（如同味 dilepton 末态和三轻子末态）在多大程度上提升了对特定产生模式的灵敏度？
• RQ5 CMS实验中首次观测到WH产生中同号轻子末态具有何种重要意义？

主要发现

• 信号强度修正因子µ的测量结果为0.95⁺⁰.¹⁰₋₀.₀⁹，表明在实验不确定度范围内与标准模型预测高度一致。
• 在简化模板截面（STXS）框架下报告了微分截面，为多个相空间区域中的产生机制提供了详细约束。
• 通过引入同味 dilepton 末态和三轻子末态等新末态，显著提升了对矢量玻色子融合（VBF）和关联产生（VH）的灵敏度。
• 首次在CMS中实现了对WH产生中同号轻子末态的测量，展示了探测稀有希格斯产生通道的能力。
• 所有测量的截面和耦合均与标准模型预期一致，未观测到显著偏离。
• 该测量得益于138 fb⁻¹的更大积分亮度和新型分析技术，相较于以往的Run 2测量，精度得到显著提升。