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

Resumen Técnico: Mediciones de las Secciones Eficaces Inclusivas y Diferenciales para la Producción y Desintegración del Bosón de Higgs a Cuatro Leptones en Colisiones Protón-Protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Motivación
La caracterización del bosón de Higgs ($H$) sigue siendo un objetivo central en la física de partículas para validar el Modelo Estándar (SM) y buscar física más allá del Modelo Estándar (BSM). El canal de desintegración $H \to ZZ \to 4\ell$ (donde $\ell = e, \mu$) es un "canal de oro" debido a su estado final completamente reconstruible y su alta relación señal-fondo. Si bien las mediciones previas utilizando los datos de la Run 1 (7 y 8 TeV) y parte de la Run 2 (13 TeV) establecieron la masa, el espín, la paridad y las propiedades inclusivas del bosón, este artículo aborda la necesidad de una caracterización más exhaustiva utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2. Específicamente, busca medir secciones eficaces fiduciales inclusivas y diferenciales con una dependencia del modelo reducida, sondear observables cinemáticos sensibles a acoplamientos anómalos y utilizar la distribución del momento transversal ($p_T$) para restringir el acoplamiento trilineal propio del Higgs y los acoplamientos con los quarks fondo (bottom) y charm.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el experimento CMS en el LHC durante 2016, 2017 y 2018, que corresponden a una luminosidad integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Selección de Eventos: Los candidatos se seleccionan requiriendo cuatro leptones bien identificados y aislados ($4e$, $4\mu$, o $2e2\mu$) que se originen en el vértice primario. Los eventos deben contener dos pares de leptones de mismo sabor y signo opuesto que formen candidatos al bosón $Z$ ($Z_1$ y $Z_2$) con masas invariantes dentro de rangos específicos ($40 < m_{Z1} < 120$ GeV y $12 < m_{Z2} < 120$ GeV). Se requiere que la masa invariante de los cuatro leptones ($m_{4\ell}$) esté entre 105 y 160 GeV.
• Espacio de Fase Fiducial: Para minimizar la dependencia del modelo teórico, las secciones eficaces se miden dentro de un espacio de fase fiducial definido al nivel del generador. Esta región imita estrechamente la aceptancia experimental, incluyendo requisitos sobre la cinemática de los leptones, el aislamiento y la topología del evento.
• Modelado de Señal y Fondo: Las muestras de señal para los cinco mecanismos de producción principales (fusión de gluones, fusión de bosones vectoriales, producción asociada con bosones vectoriales y producción asociada con quarks top) se simulan a orden siguiente (NLO) o superior. Los fondos irreducibles (producción $ZZ$) se estiman mediante simulación con correcciones NNLO, mientras que los fondos reducibles ($Z$+jets, $t\bar{t}$+jets, etc.) se estiman mediante un método de "matriz" basado en datos para la tasa de identificación errónea de leptones.
• Extracción Estadística: Las secciones eficaces inclusivas y diferenciales se extraen mediante un ajuste de máxima verosimilitud a la distribución de $m_{4\ell}$ observada. El ajuste contabiliza simultáneamente las formas de señal y fondo, tratando las fracciones de ramificación de los diferentes estados finales como parámetros no restringidos para aumentar la independencia del modelo. Los efectos del detector se desdoblan (unfolding) al espacio de fase fiducial utilizando matrices de respuesta derivadas de la simulación.
• Observables: El análisis mide las secciones eficaces diferencialmente en bins de:
  • Cinemática de producción: Momento transversal del Higgs ($p_T^H$), rapidez ($|y_H|$), multiplicidad de jets ($N_{jets}$) y cinemática de los jets ($p_T^{j1}, p_T^{j2}, m_{jj}, \Delta\eta_{jj}, \Delta\phi_{jj}$).
  • Cinemática de desintegración: Masas invariantes de los candidatos $Z$ ($m_{Z1}, m_{Z2}$) y cinco variables angulares ($\theta^*, \theta_1, \theta_2, \Phi, \Phi_1$).
  • Discriminantes de elementos de matriz: Seis discriminantes cinemáticos sensibles a acoplamientos anómalos HVV ($a_3, a_2, \Lambda_1, \Lambda_{Z\gamma}$) e términos de interferencia.
  • Mediciones doble-diferenciales: Combinaciones de los observables anteriores para maximizar la cobertura del espacio de fase.

Contribuciones Clave

• Mediciones de Precisión: Este trabajo presenta las primeras mediciones de las secciones eficaces fiduciales inclusivas y diferenciales para $H \to ZZ \to 4\ell$ utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2 ($138 \text{ fb}^{-1}$).
• Reducción de la Incertidumbre Sistemática: Se introduce un nuevo método para estimar las incertidumbres sistemáticas en las mediciones de eficiencia de electrones, utilizando un enfoque de raíz cuadrática media de las variaciones de ajuste de "tag-and-probe" alternativas. Esto reduce la incertidumbre sistemática dominante (reconstrucción y eficiencia de selección de electrones) en aproximadamente un 40% en comparación con análisis previos.
• Cobertura Cinemática Exhaustiva: El artículo proporciona un conjunto completo de mediciones diferenciales, incluyendo seis secciones eficaces doble-diferenciales, cubriendo todo el espacio de fase fiducial y separando los estados finales de mismo sabor y de diferente sabor para contabilizar los efectos de interferencia.
• Nuevas Restricciones: El análisis deriva restricciones sobre el acoplamiento trilineal propio del Higgs ($\kappa_\lambda$) y los modificadores de acoplamiento para los quarks fondo ($\kappa_b$) y charm ($\kappa_c$) directamente de la distribución de $p_T^H$, ofreciendo un enfoque complementario a las restricciones previas derivadas de secciones eficaces de plantillas simplificadas (STXS) o combinaciones de canales de desintegración.

Resultados

• Sección Eficaz Inclusiva: La sección eficaz fiducial inclusiva medida es $\sigma_{\text{fid}} = 2.73 \pm 0.26 \text{ fb}$ (incertidumbres estadística y sistemática combinadas), lo cual está en acuerdo con la expectativa del SM de $2.86 \pm 0.15 \text{ fb}$. La incertidumbre total se ha reducido en un 15% respecto a mediciones anteriores, principalmente debido a la mejora en la incertidumbre de la eficiencia de los electrones.
• Mediciones Diferenciales: Todas las secciones eficaces diferenciales medidas en función de $p_T^H$, $|y_H|$, observables de jets y ángulos de desintegración son consistentes con las predicciones del SM dentro de las incertidumbres. Los valores $p$ para la compatibilidad de los datos con las predicciones del SM oscilan entre 0.05 y 0.99.
• Acoplamientos Anómalos: Las mediciones de los discriminantes de elementos de matriz sensibles a los acoplamientos anómalos HVV no muestran desviaciones significativas de la hipótesis del SM. Los datos favorecen las predicciones del SM sobre varios escenarios BSM.
• Restricciones de Acoplamiento:
  • Acoplamiento Trilineal Propio ($\kappa_\lambda$): El intervalo observado al nivel de confianza (CL) del 95% es $-5.4 < \kappa_\lambda < 14.9$, con un intervalo esperado de $-7.6 < \kappa_\lambda < 17.7$.
  • Acoplamientos Fondo y Charm ($\kappa_b, \kappa_c$): Asumiendo que la fracción de ramificación depende de estos acoplamientos, los límites observados al 95% CL son $-1.1 < \kappa_b < 1.1$ y $-5.3 < \kappa_c < 5.2$. Estas restricciones superan los resultados previos reportados para el canal $H \to ZZ \to 4\ell$ por sí solo.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados proporcionan una caracterización exhaustiva e independiente del modelo de la producción y desintegración del bosón de Higgs en el canal $4\ell$. Al utilizar el conjunto completo de datos de la Run 2 y técnicas de calibración mejoradas, el análisis logra una reducción significativa de las incertidumbres sistemáticas, particularmente en la identificación de electrones. Las mediciones diferenciales ofrecen una prueba detallada de las predicciones del SM a través de varios regímenes cinemáticos, mientras que las restricciones derivadas sobre el acoplamiento trilineal propio y los acoplamientos con quarks representan un paso importante hacia la comprensión del potencial del Higgs y sus interacciones con los fermiones. Todos los resultados son consistentes con el Modelo Estándar, reforzando el marco teórico actual y estableciendo límites estrictos sobre posibles efectos de la física BSM en este canal de desintegración específico.