Measurements of Higgs boson production cross section in the four-lepton final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

Resumen Técnico: Mediciones de la sección eficaz de producción del bosón de Higgs en el estado final de cuatro leptones en colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV

Problema y Contexto
El descubrimiento del bosón de Higgs (H) en 2012 por las colaboraciones ATLAS y CMS completó el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas. Desde entonces, la caracterización de las propiedades del bosón de Higgs —tales como su masa, espín, paridad, anchura y secciones eficaces de producción— ha sido un objetivo primordial para validar las predicciones del SM. El canal de desintegración de cuatro leptones ($H \to ZZ \to 4\ell$, donde $\ell = e, \mu$) es un "canal de oro" para estos estudios debido a su firma limpia, alta relación señal-fondo y la capacidad de reconstruir completamente la cinemática del estado final, a pesar de su baja fracción de ramificación ($1.3 \times 10^{-4}$).

Si bien mediciones previas han utilizado datos de los Runs 1 ($\sqrt{s} = 7, 8$ TeV) y 2 ($\sqrt{s} = 13$ TeV), este artículo presenta las primeras mediciones de la sección eficaz de producción del bosón de Higgs en el canal $H \to ZZ \to 4\ell$ utilizando datos recolectados a la mayor energía de centro de masas de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV. El análisis tiene como objetivo medir las secciones eficaces fiduciales inclusivas y diferenciales para probar las predicciones del SM a esta nueva escala de energía.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS en el CERN LHC en 2022, que corresponden a una luminosidad integrada de $34.7 \text{ fb}^{-1}$.

• Selección de Eventos: Se requiere que los eventos candidatos contengan al menos cuatro leptones (electrones o muones) bien identificados y aislados, consistentes con la producción $H \to ZZ \to 4\ell$. La selección se dirige a tres canales mutuamente excluyentes: $4e$, $4\mu$ y $2e2\mu$. Los leptones deben satisfacer requisitos específicos de momento transversal ($p_T$) y pseudorapidez ($\eta$) (por ejemplo, el leptón líder $p_T > 20$ GeV, el subleider $p_T > 10$ GeV). Dos pares de leptones de mismo sabor y signo opuesto se reconstruyen como candidatos al bosón $Z$ ($Z_1$ y $Z_2$) con masas invariantes en los rangos $40 < m_{Z1} < 120$ GeV y $12 < m_{Z2} < 120$ GeV. La región de la señal se define por la masa invariante de los cuatro leptones $105 < m_{4\ell} < 160$ GeV.
• Estimación del Fondo:
  • Fondo Irreducible: El fondo dominante proviene de la producción $ZZ$ mediante la aniquilación de quark-antiquark ($q\bar{q} \to ZZ$) y la fusión de gluones ($gg \to ZZ$). Estos se estiman utilizando eventos simulados normalizados a cálculos teóricos de orden siguiente al líder (NLO) y de orden siguiente al siguiente al líder (NNLO).
  • Fondo Reducible: Las contribuciones de procesos donde los jets o hadrones son mal identificados como leptones (denotados como "ZX") se estiman mediante muestras de control basadas en datos de las tasas de mala identificación de leptones.
• Modelado de la Señal y Análisis Estadístico: La señal se modela utilizando una función Crystal Ball de doble lado (DCB) centrada en la masa del Higgs ($m_H = 125.38$ GeV). El análisis emplea un ajuste de máxima verosimilitud no agrupado (unbinned maximum likelihood fit) a la distribución observada de $m_{4\ell}$. La sección eficaz fiducial se extrae directamente del ajuste, corrigiendo los efectos del detector mediante un procedimiento de desenmascaramiento (unfolding) basado en la verosimilitud utilizando una matriz de respuesta derivada de la simulación.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las principales fuentes de incertidumbre incluyen la luminosidad integrada (1.4%), las eficiencias de reconstrucción e identificación de leptones (que oscilan entre 0.8% y 11% dependiendo del canal), la escala y resolución del momento de los leptones, y las incertidumbres teóricas en el modelado del fondo (factores K, PDFs y escalas de renormalización/factorización).

Contribuciones Clave y Resultados
El artículo reporta las primeras mediciones de la sección eficaz fiducial inclusiva y diferencial para el proceso $H \to ZZ \to 4\ell$ a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.

• Sección Eficaz Fiducial Inclusiva: La sección eficaz fiducial inclusiva medida es:
  $$\sigma_{\text{fid}} = 2.89^{+0.53}_{-0.49} (\text{est})^{+0.29}_{-0.21} (\text{sist}) \text{ fb}$$
  Este resultado concuerda con la expectativa del Modelo Estándar de $3.09^{+0.27}_{-0.24}$ fb. La incertidumbre sistemática dominante proviene de la eficiencia de selección de electrones.
• Secciones Eficaces Diferenciales: El análisis también proporciona secciones eficaces diferenciales en función del momento transversal del bosón de Higgs ($p_T^H$) y del valor absoluto de su rapidez ($|y^H|$). Las distribuciones muestran un buen acuerdo con las predicciones del SM derivadas de generadores POWHEG y NNLOPS.
• Desglose por Canales: Los resultados se presentan por separado para los estados finales $4e$, $4\mu$ y $2e2\mu$, siendo el resultado inclusivo combinado el que proporciona la medición más precisa.

Significancia
El artículo afirma que estas mediciones constituyen una prueba importante del Modelo Estándar a la nueva energía de centro de masas de 13.6 TeV. Al medir las secciones eficaces en un espacio de fase fiducial que coincide estrechamente con la aceptancia experimental, los resultados minimizan la dependencia del modelo. La consistencia de las secciones eficaces inclusivas y diferenciales medidas con las expectativas del SM refuerza la validez de la descripción del Modelo Estándar para la producción y desintegración del bosón de Higgs en el canal de cuatro leptones a energías más altas. Los resultados son consistentes con las mediciones previas de los Runs 1 y 2, extendiendo la precisión de la caracterización de las propiedades del Higgs hacia la era del Run 3.