Search for exotic Higgs boson decays H $\to$ $\mathcal{AA}$ with $\mathcal{AA}$ $\to$ $\gamma\gamma$ in events with a semi-merged topology in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Búsqueda de desintegraciones exóticas del bosón de Higgs $H \to AA$ con $A \to \gamma\gamma$ en topologías semi-fusionadas

Problema y Motivación
La búsqueda de física más allá del Modelo Estándar (BSM) se ha centrado cada vez más en las desintegraciones exóticas del bosón de Higgs, específicamente el proceso $H \to AA$, donde $A$ es una hipotética partícula ligera de espín 0. Si bien las búsquedas anteriores han cubierto con éxito el régimen totalmente resuelto ($m_A \gtrsim 15$ GeV), donde ambos bosones $A$ se desintegran en dos fotones distintos, y el régimen totalmente fusionado ($m_A \lesssim 1$ GeV), donde ambos bosones $A$ se desintegran en pares de fotones altamente colimados reconstruidos como objetos únicos, existía una brecha significativa en el rango de masa intermedio de $1 < m_A < 15$ GeV.

En este régimen de masa "semi-fusionada", la cinemática de la desintegración $H \to AA \to 4\gamma$ presenta un desafío de reconstrucción. Un bosón $A$ se desintegra en dos fotones bien separados, resueltos, mientras que el otro bosón $A$ se desintegra en un par de fotones que están físicamente fusionados dentro del calorímetro electromagnético (ECAL) o donde el segundo fotón cae por debajo del umbral de reconstrucción estándar ($p_T > 10$ GeV). En consecuencia, el estado final aparece como tres objetos similares a fotones: dos fotones resueltos y un candidato a fotón "fusionado". La reconstrucción de la masa invariante tradicional es imposible para la pata fusionada utilizando la cinemática de objetos estándar, lo que requiere un enfoque novedoso para inferir directamente la masa de la partícula madre $A$ a partir de los patrones de depósito de energía en el calorímetro.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018).

• Selección de Eventos: Los eventos se activan mediante un disparador (trigger) de un sistema difotónico con una masa invariante $> 55$ GeV. La selección requiere exactamente tres candidatos a fotón reconstruidos en la región del barril del ECAL ($|\eta| < 1.44$). Los dos fotones de mayor $p_T$ deben satisfacer $p_T > 30$ GeV y $18$ GeV, respectivamente. La masa trifotónica ($m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$) se restringe a la ventana $90 < m_{\Gamma\Gamma\Gamma} < 180$ GeV para abarcar la señal del bosón de Higgs.
• Clasificación de Topología: Los tres fotones se agrupan en dos candidatos: un candidato "resuelto" ($A_2$) formado por los dos fotones más cercanos, y un candidato "fusionado" ($A_1$) formado por el tercer fotón.
• Regresión de Masa mediante Redes Neuronales de Grafos (GNN): Para reconstruir la masa del candidato fusionado ($m_{A1}$), el análisis emplea una técnica de aprendizaje profundo de extremo a extremo. A diferencia de los enfoques previos que utilizan Redes Neuronales Convolucionales (CNN), este análisis utiliza una Red Neuronal de Grafos (específicamente una Red de Reducción Dinámica).
  • Entrada: La entrada consiste en una matriz de $128 \times 128$ de depósitos de energía de cristales del ECAL que rodean el cristal semilla del candidato fusionado. Las características de entrada incluyen componentes de energía transversal ($E_T$) y longitudinal ($E_z$), así como coordenadas de posición de los cristales ($x, y, z$).
  • Arquitectura: La red utiliza módulos EdgeConv para construir dinámicamente grafos basados en espacios de características aprendidos, utilizando la invarianza de permutación para manejar la naturaleza no ordenada de los depósitos de los cristales. Las conexiones residuales y las capas de agrupación (pooling) reducen progresivamente el tamaño del grafo hasta un único nodo de salida que predice la masa.
  • Entrenamiento y Calibración: El modelo se entrena con muestras simuladas de $A \to \gamma\gamma$ con distribuciones planas en masa y $p_T$. Para manejar los efectos de borde y distinguir la señal del fondo (fotones individuales), el conjunto de entrenamiento incluye muestras de fotones individuales asignadas a masas objetivo negativas ("continuación de dominio"). La respuesta de regresión se calibra utilizando eventos $Z \to e^+e^-$, donde los electrones sirven como un proxy para las cascadas de fotones fusionados, aplicándose correcciones por diferencias de escala y resolución entre los datos y la simulación.
• Modelado de Señal y Fondo:
  • Señal: Se construye un template 2D de las masas reconstruidas ($m_{A1}$ vs. $m_{A2}$) a partir de eventos de señal simulados en puntos de masa discretos ($m_A = 1, 3, 5, 10, 15$ GeV). Las masas intermedias se interpolan.
  • Fondo: El modelo de fondo se deriva enteramente de los datos utilizando regiones de banda lateral (sideband) tanto en la masa trifotónica ($m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$) como en el plano de masa 2D. La forma del fondo en la región de señal se estima como una combinación lineal de formas de las bandas laterales de baja y alta $m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$, normalizadas utilizando regiones fuera de la diagonal del plano de masa 2D para evitar la contaminación de la señal.

Contribuciones Clave

1. Técnica de Reconstrucción Novedosa: El artículo introduce la aplicación de una Red Neuronal de Grafos para la regresión de masa de candidatos a difotones semi-fusionados en el detector CMS. Este enfoque aprovecha la granularidad completa de los depósitos de energía del ECAL, superando a las CNN tradicionales al manejar naturalmente las simetrías de rotación y las estructuras de datos dispersas.
2. Cerrar la Brecha de Masa: Este análisis aborda con éxito el rango de masa $1 < m_A < 15$ GeV, una región previamente inaccesible para las búsquedas de CMS debido a las limitaciones de las topologías totalmente resueltas o totalmente fusionadas.
3. Estimación de Fondo Basada en Datos: La metodología emplea una estrategia de estimación de fondo robusta y totalmente basada en datos utilizando bandas laterales 2D, minimizando la dependencia de procesos de fondo simulados que son difíciles de modelar con precisión para eventos de QCD multijet y $\gamma$+jet en esta topología específica.

Resultados
El análisis no encuentra un exceso estadísticamente significativo de eventos sobre la expectativa del fondo del Modelo Estándar en el rango explorado. En consecuencia, se establecen límites superiores en el producto de la sección eficaz de producción del bosón de Higgs y la fracción de ramificación, $\sigma(pp \to H) \times \mathcal{B}(H \to AA \to 4\gamma)$, al 95% de nivel de confianza (CL).

• Límites: Los límites superiores observados oscilan entre 0.264 pb en $m_A = 1$ GeV y 0.005 pb en $m_A = 15$ GeV.
• Comparación: Estos resultados representan los límites más estrictos hasta la fecha en el rango de masa 1–5 GeV. Específicamente, en $m_A = 3$ GeV, el límite observado es aproximadamente 100 veces más estricto que los resultados previos de ATLAS. La sensibilidad es ligeramente menor en las masas más bajas en comparación con la búsqueda de fotones totalmente fusionados de CMS (debido al predominio de la topología totalmente fusionada allí) y en las masas más altas (debido a menores rendimientos de eventos y mayores incertidumbres en el fondo), pero el enfoque semi-fusionado proporciona una cobertura continua a través de todo el espectro.

Significancia
El artículo afirma que esta búsqueda proporciona la primera medición del experimento CMS en el rango de $m_A = 1–15$ GeV para el canal $H \to AA \to 4\gamma$. Al desarrollar y validar una técnica de regresión de masa basada en aprendizaje profundo, el análisis demuestra la viabilidad de investigar desintegraciones exóticas del Higgs en topologías donde la reconstrucción estándar falla. Los resultados restringen significativamente los modelos BSM que involucran pseudoscalares ligeros, como los Modelos de Dos Higgs Dobles más un singlete (2HDM+S) y escenarios de producción de partículas tipo axión, particularmente en la región de baja masa donde los límites previos eran más débiles. El trabajo establece un nuevo referente para la búsqueda de firmas semi-fusionadas en física de altas energías.