[论文解读] Study of High-Transverse-Momentum Higgs Boson Production in Association with a Vector Boson in the $qqbb$ Final State with the ATLAS Detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2933 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞数据（137 fb⁻¹）中，首次观测到高横向动量Higgs玻色子与矢量玻色子（VH）的联合产生过程，最终末态为全强子衰变道qqbb。通过采用大径向 jets 与喷流亚结构技术结合b打点，测得包含性VH产生截面为3.1±1.3（统计）⁺¹.⁸₋₁.⁴（系统）pb，相对于标准模型预测的信号强度μ = 1.4⁺¹.⁰₋₀.⁹。

ABSTRACT

This Letter presents the first study of Higgs boson production in association with a vector boson (V = W or Z) in the fully hadronic $qqbb$ final state using data recorded by the ATLAS detector at the LHC in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb$^{-1}$. The vector bosons and Higgs bosons are each reconstructed as large-radius jets and tagged using jet substructure techniques. Dedicated tagging algorithms exploiting $b$-tagging properties are used to identify jets consistent with Higgs bosons decaying into $b\bar{b}$. Dominant backgrounds from multijet production are determined directly from the data, and a likelihood fit to the jet mass distribution of Higgs boson candidates is used to extract the number of signal events. The VH production cross section is measured inclusively and differentially in several ranges of Higgs boson transverse momentum: 250-450, 450-650, and greater than 650 GeV. The inclusive signal yield relative to the standard model expectation is observed to be $μ= 1.4 ^{+1.0}_{-0.9}$ and the corresponding cross section is $3.1 \pm 1.3\, (stat.)\: ^{+1.8}_{-1.4}\, (syst.$) pb.

研究动机与目标

• 测量高横向动量下Higgs玻色子与矢量玻色子（W/Z）联合产生的包含性与微分截面。
• 通过利用H→bb̄完全强子衰变道，探测高动量下VH产生过程中新物理的贡献。
• 验证先进喷流亚结构与b打点技术在多 jets 末态中识别增强Higgs玻色子的性能。
• 直接从数据中通过拟合喷流质量分布提取信号事例数，最大限度减少对蒙特卡洛模拟主导背景的依赖。

提出的方法

• 利用喷流亚结构技术将矢量玻色子与Higgs玻色子重建为大径向喷流（R = 1.0）。
• 应用专用b打点算法识别与H→bb̄衰变一致的喷流，提升Higgs信号纯度。
• 通过Higgs候选喷流的不变质量分布进行似然拟合以提取信号事例，多 jets 背景直接从数据中估计。
• 使用蒙特卡洛模拟建模较小背景（tt̄、V+jets、VV），其中Z+jets的归一化作为自由拟合参数。
• 将事件按Higgs玻色子横向动量分为三个区间：250–450 GeV、450–650 GeV 与 >650 GeV，用于微分截面测量。
• 对喷流质量谱进行联合拟合，通过完整的Geant4基模拟整合探测器效应与堆叠效应修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高Higgs横向动量下，全强子衰变道qqbb中VH产生的包含性截面是多少？
• RQ2 随着Higgs玻色子横向动量增加，VH产生的微分截面如何变化？
• RQ3 喷流亚结构与b打点技术在多 jets 末态中对增强Higgs玻色子的分辨能力如何？
• RQ4 在此复杂末态中，数据驱动的背景估计与蒙特卡洛模拟相比表现如何？
• RQ5 在此高pT区域，相对于标准模型预测的信号强度是多少？

主要发现

• 包含性VH产生截面测得为3.1±1.3（统计）⁺¹.⁸₋₁.⁴（系统）pb，与标准模型预测一致。
• 相对于标准模型的信号强度为μ = 1.4⁺¹.⁰₋₀.⁹，表明与标准模型预期无显著偏离。
• 本分析对Higgs玻色子横向动量超过650 GeV的信号具有灵敏度，超越了当前半轻末态的测量范围。
• 主要多 jets 背景直接从数据中估计，降低了模拟带来的系统不确定性。
• Z+jets背景（特别是Z→bb̄衰变被误识别为Higgs候选）在拟合中作为自由参数处理，提升了结果的鲁棒性。
• 本研究展示了在高pT区域，利用先进喷流亚结构与b打点技术实现完全强子末态VH分析的可行性与高精度。