Measurement of the Higgs boson total decay width using the H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$ decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV, el experimento CMS midió el ancho de desintegración total del bosón de Higgs en 3.9$^{+2.7}_{-2.2}$ MeV mediante el canal H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$, logrando una mejora triple en la incertidumbre respecto a resultados anteriores mientras confirma la consistencia con el Modelo Estándar.

Lo esencial

El Panorama General: Pesar a un Fantasma

Imagina el bosón de Higgs como un fantasma muy tímido e increíblemente rápido que aparece por una fracción de segundo en un colisionador de partículas masivo (el Gran Colisionador de Hadrones, o LHC) y luego desaparece. Los científicos quieren saber exactamente qué tan "pesado" es este fantasma en términos de su energía, lo que los físicos llaman su ancho de desintegración.

Piensa en el ancho de desintegración como el volumen de una campana.

• Una campana que suena durante mucho tiempo (un ancho de desintegración amplio) es fuerte y fácil de escuchar.
• Una campana que suena durante una fracción diminuta de segundo (un ancho de desintegración estrecho) es un "ping" silencioso que es muy difícil de captar.

El Modelo Estándar (el libro de reglas de la física) predice que este fantasma de Higgs debería ser un "ping" muy silencioso, tan silencioso que nuestros detectores son demasiado borrosos para escucharlo directamente. Es como intentar medir el peso exacto de una pluma usando una báscula de baño; la báscula no es lo suficientemente sensible.

El Truco: Escuchar el Eco

Dado que no pueden pesar al fantasma directamente, el equipo CMS del CERN utilizó un truco ingenioso. Observaron dos formas diferentes en las que aparece el fantasma:

1. El Fantasma "En Capa" (El Evento Principal): Este es el fantasma apareciendo en su energía normal y esperada (125 GeV). Es como si el fantasma apareciera en una fiesta exactamente cuando fue invitado.
2. El Fantasma "Fuera de Capa" (El Invitado Raro): Este es el fantasma apareciendo a energías mucho más altas (más de 160 GeV). Es como si el fantasma irrumpiera en la fiesta a un nivel de energía mucho más alto. Esto ocurre muy raramente.

La Analogía:
Imagina que estás tratando de averiguar qué tan rápido gira un motor de coche, pero no puedes mirar el motor. En su lugar, miras cuánto combustible consume el coche a una velocidad lenta (en capa) versus cuánto consume cuando está acelerando el motor al límite (fuera de capa).

El artículo explica que la relación entre estos dos "consumos de combustible" te dice la velocidad secreta del motor (el ancho de desintegración). Si el fantasma es muy "estrecho" (silencioso), la versión de alta energía "fuera de capa" es mucho más difícil de producir en comparación con la normal. Midiendo con qué frecuencia aparece la versión de alta energía en comparación con la normal, pueden calcular el ancho.

El Experimento: El Gran Filtro

Los científicos examinaron 138 "femtobarns" de datos. Para ponerlo en perspectiva, es como observar 138 billones de colisiones de protones ocurriendo en el LHC entre 2016 y 2018.

Buscaban una señal específica: Un bosón de Higgs transformándose en dos partículas W, que luego se transforman en un electrón y un muón (y algunos neutrinos invisibles).

• El Desafío: El ruido de fondo es enorme. Es como intentar escuchar un susurro en un estadio lleno de aficionados gritando. Los "aficionados" son otras colisiones de partículas que se ven similares pero no son el Higgs.
• La Solución: Utilizaron una Red Neuronal Profunda (DNN). Piensa en esto como un árbitro de IA súper inteligente. Observó cada colisión individual y preguntó: "¿Esto se parece al fantasma de Higgs, o es solo ruido de fondo?". Clasificó los eventos en diferentes categorías basándose en cuántas otras partículas (chorros) volaban alrededor.

Los Resultados: Una Coincidencia Perfecta

Después de ordenar el ruido y usar su árbitro de IA, el equipo encontró:

• La Señal Fuera de Capa: Midieron con qué frecuencia aparecía el fantasma de alta energía. El resultado fue 1.2 (con cierta incertidumbre). En el libro de reglas, un valor de 1.0 es perfecto. Por lo tanto, 1.2 está muy cerca de lo esperado.
• El Ancho Total: Usando la relación entre el fantasma de alta energía y el fantasma normal, calcularon el ancho total de desintegración.
  • Su Resultado: 3.9 MeV (más o menos un poco).
  • La Predicción: 4.1 MeV.

El Veredicto: La medición es una coincidencia perfecta con el Modelo Estándar. El "fantasma" es exactamente tan silencioso y escurridizo como el libro de reglas dijo que sería.

Por Qué Esto Importa

Este no es solo un artículo de "lo encontramos"; es un artículo de "lo medimos con precisión".

• Mejora: Este resultado es 3 veces más preciso que el intento anterior del mismo equipo utilizando datos más antiguos.
• Nuevo Canal: Esta es la primera vez que el equipo CMS mide este ancho específico utilizando el canal H → WW (Higgs a partículas W) a la alta energía de 13 TeV. Anteriormente, tenían que usar un canal diferente (H → ZZ).
• Consistencia: El hecho de que la medición coincida tan bien con la predicción significa que no hay nueva física "extraña" escondida en las sombras en este momento. El bosón de Higgs se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar.

Resumen

El equipo CMS actuó como detectives tratando de pesar a un fantasma. No pudieron pesarlo directamente, así que compararon con qué frecuencia aparecía el fantasma en un estado "normal" versus un estado de "alta energía". Usando una cantidad masiva de datos y una IA inteligente para filtrar el ruido, calcularon el "ancho" del fantasma como 3.9 MeV. Esto coincide casi perfectamente con la predicción teórica de 4.1 MeV, confirmando que nuestra comprensión actual de los bloques de construcción del universo sigue siendo sólida.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición del ancho de desintegración total del bosón de Higgs utilizando el canal de desintegración H →WW →eνµν

Problema y Motivación
El ancho de desintegración total del bosón de Higgs ($\Gamma_H$) es un parámetro fundamental del Modelo Estándar (ME). Para un bosón de Higgs del ME con una masa de 125 GeV, la predicción teórica es de 4.1 MeV. Sin embargo, este valor es significativamente menor que la resolución de masa invariante de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), lo que hace inviable la medición directa del ancho de desintegración. En consecuencia, $\Gamma_H$ debe restringirse indirectamente comparando las tasas de producción del bosón de Higgs en regímenes "en capa" (cerca de la masa de resonancia) y "fuera de capa" (a altas masas invariantes).

Mediciones anteriores realizadas por la Colaboración CMS en el canal $H \to ZZ$ y en el canal $H \to WW \to 2\ell 2\nu$ (utilizando datos de 7 y 8 TeV) proporcionaron restricciones, pero con precisión limitada. Este artículo aborda la necesidad de una determinación más precisa de $\Gamma_H$ utilizando el conjunto completo de datos de la Ejecución 2 (2016–2018) a $\sqrt{s} = 13$ TeV, dirigiéndose específicamente al canal de desintegración $H \to WW \to e\nu\mu\nu$. El estudio tiene como objetivo mejorar el límite previo de CMS en este canal ($\Gamma_H < 26$ MeV) aprovechando una mayor energía en el centro de masas, una mayor luminosidad integrada y un modelado teórico y experimental refinado.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ recopilados por el experimento CMS. La medición se basa en la relación entre las secciones eficaces de producción fuera de capa y en capa, que es proporcional al ancho de desintegración total ($\Gamma_H \propto \mu_{\text{fuera de capa}} / \mu_{\text{en capa}}$).

• Selección y Reconstrucción de Eventos: Se seleccionan eventos requiriendo un par electrón-muón de signos opuestos ($e\mu$) para suprimir los fondos de Drell-Yan. Los requisitos cinemáticos incluyen momento transversal faltante ($p^{\text{miss}}_T > 20$ GeV) para tener en cuenta los neutrinos, una masa invariante dileptónica $m_{e\mu} > 20$ GeV y una masa transversal reconstruida del bosón de Higgs $m^H_T > 60$ GeV. Los chorros se agrupan utilizando el algoritmo anti-$k_T$, y se vetan los eventos con chorros etiquetados como $b$ para reducir los fondos de quarks top.
• Categorización: Los eventos se categorizan según el número de chorros (0, 1 y $\ge 2$) para distinguir entre los modos de producción por fusión de gluones (ggF) y por fusión de bosones vectoriales (VBF).
• Discriminación mediante Aprendizaje Automático: Se emplea una red neuronal profunda (DNN) multiclase para separar la señal del fondo. La DNN se entrena para clasificar los eventos en cuatro clases para las categorías de 0 y 1 chorro (ggF fuera de capa, ggF en capa, quark top, WW no resonante) y en seis clases para la categoría de $\ge 2$ chorros (añadiendo VBF fuera de capa/en capa). Las variables de entrada incluyen propiedades cinemáticas del sistema dileptónico, del sistema dijet, del momento transversal faltante y una masa invariante proxy del sistema WW.
• Modelado de Señal y Fondo:
  • Señal: Las contribuciones fuera de capa se definen mediante un requisito a nivel de generador de $m_{WW} > 160$ GeV. Las simulaciones para ggF y VBF utilizan POWHEG y JHUGEN (para VBF) o MCFM (para ggF), incorporando esquemas de polos complejos y efectos de interferencia entre la señal y los fondos continuos.
  • Fondos: Los fondos principales incluyen la producción no resonante de WW, quarks top ($t\bar{t}$) y procesos de Drell-Yan. Las normalizaciones para WW no resonante y $t\bar{t}$ se restringen simultáneamente en regiones de señal (SR) y regiones de control (CR) utilizando datos. Los fondos de leptones no prompt se estiman utilizando un enfoque de "método de matriz" basado en datos.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud de perfil utilizando el marco COMBINE. La función de verosimilitud incorpora las distribuciones de salida de la DNN para las regiones de señal fuera de capa y las regiones de control en capa. Las incertidumbres sistemáticas (experimentales y teóricas) se tratan como parámetros de molestia con restricciones gaussianas.

Contribuciones Clave

• Primera Medición a 13 TeV en $H \to WW$: Este trabajo presenta la primera determinación de CMS del ancho de desintegración del bosón de Higgs utilizando el canal $H \to WW \to e\nu\mu\nu$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Precisión Mejorada: El análisis logra una mejora de un factor de 3 en la incertidumbre sobre el resultado anterior de CMS en este canal de desintegración específico (derivado de datos de 7 y 8 TeV).
• Modelado Avanzado: El estudio implementa un modelado sofisticado de la interferencia entre la señal del Higgs fuera de capa y el fondo continuo de $WW$, lo cual es crítico para la extracción precisa de la fuerza de la señal en la cola de alta masa.
• Categorización Basada en DNN: La aplicación de redes neuronales profundas permite una discriminación eficiente entre señal y fondo a través de diferentes multiplicidades de chorros, optimizando la sensibilidad tanto en los modos de producción ggF como VBF.

Resultados

• Fuerza de Señal Fuera de Capa: La fuerza de señal fuera de capa se mide como $\mu_{\text{fuera de capa}} = 1.2^{+0.8}_{-0.7}$. Este valor es consistente con la predicción del ME de unidad.
• Ancho de Desintegración Total: El ancho de desintegración total del bosón de Higgs se determina en $\Gamma_H = 3.9^{+2.7}_{-2.2}$ MeV.
• Consistencia con el ME: El ancho medido está de acuerdo con la predicción del Modelo Estándar de 4.1 MeV.
• Límites de Exclusión: El escenario de no producción de bosones de Higgs fuera de capa se excluye a 3.4 desviaciones estándar (con una exclusión esperada de 1.3 desviaciones estándar). El límite superior al 95% de nivel de confianza sobre el ancho es $\Gamma_H < 22.00$ MeV.
• Desglose de Incertidumbre: La incertidumbre total en la relación $r = \mu_{\text{fuera de capa}}/\mu_{\text{en capa}}$ está dominada por las incertidumbres estadísticas (56%), seguidas por las incertidumbres teóricas (27%).

Significado
El artículo afirma que este resultado representa un avance significativo en la restricción de las propiedades del bosón de Higgs. Al complementar las mediciones anteriores en el canal $H \to ZZ$, este análisis proporciona una restricción robusta e independiente de $\Gamma_H$ utilizando el canal $WW$. El resultado confirma la predicción del ME dentro de las incertidumbres y demuestra que las desviaciones del ME, que podrían indicar acoplamientos anómalos o nueva física, están actualmente restringidas dentro del rango medido. La mejora en la precisión sobre los límites anteriores en este canal destaca la efectividad de utilizar el conjunto completo de datos de la Ejecución 2 y técnicas de análisis avanzadas como el aprendizaje profundo y el modelado preciso de interferencias.