Study of ZZ and ZH production in the bb$\tau\tau$ final state and search for high-mass spin-0 and spin-1 resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Technische Zusammenfassung: Untersuchung der ZZ- und ZH-Produktion im $bb\tau\tau$-Endzustand und Suche nach hochmassiven Resonanzen

Problem und Motivation
Die Entdeckung des Higgs-Bosons ($H$) validierte das Standardmodell (SM), doch kritische Parameter wie die Higgs-Selbstkopplung ($\lambda$) sind bisher ungemessen. Die Messung der Higgs-Boson-Paarproduktion ($HH$) ist der primäre Weg zur Bestimmung von $\lambda$. Der Zerfallskanal $HH \to bb\tau\tau$ bietet eine hohe Sensitivität, steht jedoch vor erheblichen experimentellen Herausforderungen, einschließlich großer Hintergründe und komplexer Rekonstruktion. Um die Analysestrategien für den High-Luminosity LHC (HL-LHC) zu verfeinern und die Robustheit von $HH \to bb\tau\tau$-Suchen zu verbessern, ist es notwendig, experimentell gut etablierte SM-Prozesse zu untersuchen, die ähnliche topologische Merkmale aufweisen. Die assoziierte Produktion eines $Z$-Bosons mit einem $Z$-Boson ($ZZ$) oder einem $Z$-Boson mit einem Higgs-Boson ($ZH$) im $bb\tau\tau$-Endzustand dient als idealer Benchmark. Diese Prozesse teilen die experimentellen Herausforderungen der $HH$-Suche, besitzen jedoch signifikant größere Wirkungsquerschnitte (etwa 64-mal größer für $ZZ$ und 2,2-mal größer für $ZH$). Darüber hinaus bieten diese Kanäle eine einzigartige Gelegenheit, Physik jenseits des Standardmodells (BSM) zu untersuchen, insbesondere die Suche nach schweren Spin-0-Resonanzen ($X$), die zu $ZZ$ zerfallen, und Spin-1-Resonanzen ($Z'$), die zu $ZH$ zerfallen, welche aus Erweiterungen wie Singlett-Modellen, Zwei-Higgs-Dublett-Modellen oder gewarpten Extra-Dimensionen resultieren könnten.

Methodik
Die Analyse verwendet Proton-Proton-Kollisionsdaten, die vom CMS-Experiment bei $\sqrt{s} = 13$ TeV gesammelt wurden, was einer integrierten Luminosität von 138 fb$^{-1}$ (2016–2018) entspricht. Die Studie konzentriert sich auf drei spezifische Endzustände:

1. $ZZ \to bb\tau\tau$ (bezeichnet als $ZbbZ\tau\tau$)
2. $ZH \to (Z \to bb)(H \to \tau\tau)$ (bezeichnet als $ZbbH\tau\tau$)
3. $ZH \to (Z \to \tau\tau)(H \to bb)$ (bezeichnet als $Z\tau\tau Hbb$)

Ereignisrekonstruktion und Selektion:

• Tau-Zerfallskanäle: Die Analyse berücksichtigt drei $\tau\tau$-Zerfallskanäle: $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$ und $\tau_h\tau_h$, was 87,6 % der möglichen $\tau\tau$-Zerfälle abdeckt.
• Kinematische Regime: Ereignisse werden basierend auf dem Lorentz-Boost der $\tau\tau$- und $bb$-Systeme in „resolved“ (aufgelöste) und „boosted“ (gestauchte) Regime unterteilt.
  • Resolved: Verwendet AK4-Jets ($R=0,4$) und Standard-Isolationskriterien.
  • Boosted: Verwendet AK8-Jets ($R=0,8$) und dedizierte Rekonstruktionsalgorithmen für kollimierte Objekte.
• Objektidentifikation:
  • Jets: AK4-Jets werden mittels des DEEPJET-Algorithmus (Medium Working Point) identifiziert. AK8-Jets werden mittels des PARTICLENET-Algorithmus (Low-Purity Working Point) zur Tagging von $Z/H \to bb$-Zerfällen verwendet.
  • Taus: Hadronische Tau-Kandidaten werden mittels des HPS-Algorithmus rekonstruiert und durch die DEEPTAU- (resolved) oder BOOSTEDDEEPTAU- (boosted) Algorithmen identifiziert.
  • Leptonen: Elektronen und Myonen werden mit Standard-CMS-Kriterien rekonstruiert, wobei spezifische Isolationsanpassungen für das Boosted-Regime vorgenommen werden.
• Kategorisierung: Ereignisse werden in 12 disjunkte Kategorien klassifiziert, basierend auf dem $\tau\tau$-Zerfallskanal (3) und dem Rekonstruktionsregime ($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$, boosted $bb$-boosted $\tau\tau$).
• Massenrekonstruktion: Die invariante Masse des $\tau\tau$-Systems ($m_{\tau\tau}$) wird mittels des FASTMTT-Algorithmus rekonstruiert, der eine Kollinearitätsapproximation und fehlenden transversalen Impuls ($p_T^{miss}$) verwendet. Die $bb$-Masse ($m_{bb}$) wird aus der dijet-invarianten Masse (resolved) oder der Soft-Drop-gegroomten Masse (boosted) abgeleitet. Eine elliptische Selektion in der $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$-Ebene wird angewendet, um Signal-Kandidaten auszuwählen.

Hintergrundmodellierung und Signalextraktion:

• Hintergründe: Die dominanten Hintergründe sind die Top-Quark-Paarproduktion ($t\bar{t}$) und Drell-Yan-Prozesse ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$). Der QCD-Multijet-Hintergrund wird mittels datengestützter ABCD-Methoden geschätzt. Andere Beiträge (Single-Top, $W$+Jets, Diboson) werden mittels Monte Carlo (MC)-Simulationen modelliert.
• Signalextraktion: Tiefe neuronale Netze (DNNs) werden trainiert, um das Signal vom Hintergrund zu diskriminieren.
  • Nicht-resonant: Dedizierte DNNs werden für jeden SM-Prozess ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$) trainiert.
  • Resonant: Ein parametrisiertes neuronales Netz wird für resonante Suchen ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$) trainiert, wobei die Resonanzmasse als Eingangsparameter verwendet wird, um modellunabhängige Limits über einen Massenbereich hinweg zu ermöglichen.
• Statistische Analyse: Ein binärer Maximum-Likelihood-Fit wird auf die DNN-Ausgabeverteilungen über alle Kategorien und Kanäle hinweg durchgeführt. Systematische Unsicherheiten (Luminosität, Objektidentifikation/Energieskalen, theoretische Wirkungsquerschnitte, PDFs und MC-Statistik) werden als Störparameter (Nuisance Parameters) behandelt.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

• Erste Messungen: Diese Arbeit präsentiert die ersten Messungen der $ZZ \to bb\tau\tau$- und $ZH \to bb\tau\tau$-Prozesse.
• SM-Messungen:
  • Die Signalstärke ($\mu$) für $ZZ \to bb\tau\tau$ wird gemessen als $0,10^{+0,70}_{-0,68}(\text{stat})^{+0,83}_{-0,84}(\text{syst})$.
  • Die Signalstärke für $ZH \to bb\tau\tau$ wird gemessen als $-1,4^{+1,2}_{-1,1}(\text{stat}) \pm 1,0(\text{syst})$.
  • Beide Ergebnisse sind konsistent mit den Vorhersagen des Standardmodells.
  • Obere Grenzwerte auf dem 95 % Konfidenzniveau (CL) für die Produktionswirkungsquerschnitte werden gesetzt, die von 300 pb bis 24 fb für $ZZ$ und von 0,4 pb bis 12 fb für $ZH$ reichen.
• Resonante Suchen:
  • Es werden Suchen nach schweren Spin-0-Resonanzen ($X \to ZZ$) im Massenbereich von 200 GeV bis 5 TeV und Spin-1-Resonanzen ($Z' \to ZH$) im Bereich von 500 GeV bis 6 TeV durchgeführt.
  • Es wurde keine signifikante Abweichung von den SM-Erwartungen beobachtet.
  • Obere Grenzwerte auf $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ und $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ über die Massenbereiche hinweg wurden festgelegt.
• Sensitivitätsprojektionen: Projektionen für den HL-LHC deuten darauf hin, dass Evidenz für $ZZ \to bb\tau\tau$ mit $\sim 1$ ab$^{-1}$ und eine Beobachtung mit $>2,5$ ab$^{-1}$ erreicht werden könnte, sofern die systematischen Unsicherheiten reduziert werden. Der Prozess $ZH \to bb\tau\tau$ bleibt anspruchsvoller und erfordert wahrscheinlich erhebliche Verbesserungen der Analysemethoden und der Hintergrundmodellierung für eine Beobachtung.

Bedeutung
Die Arbeit etabliert die $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$-Prozesse als lebensfähige „Standardkerzen“ (Standard Candles) für den $bb\tau\tau$-Endzustand. Durch die Demonstration, dass für diese bekannten Prozesse entwickelte Analysetechniken erfolgreich angewendet werden können, validiert die Studie die Strategien, die für die zukünftige Beobachtung der nicht-resonanten Higgs-Boson-Paarproduktion ($HH \to bb\tau\tau$) erforderlich sind. Die Ergebnisse liefern die ersten experimentellen Einschränkungen auf die $ZZ$- und $ZH$-Produktion in diesem spezifischen Endzustand und setzen die ersten Limits auf schwere Resonanzen, die zu diesen Zuständen in den $bb\tau\tau$-Kanal zerfallen, wodurch potenzielle Erhöhungen der Kopplungen an Fermionen der dritten Generation untersucht werden. Die Analyse bestätigt, dass der $ZZ \to bb\tau\tau$-Prozess aufgrund größerer Wirkungsquerschnitte einen zugänglicheren Weg zur Beobachtung als $HH \to bb\tau\tau$ bietet, aber dennoch signifikanten Hintergrundproblemen unterliegt, die adressiert werden müssen, um den HL-LHC-Datensatz voll auszuschöpfen.