Measurements of $H\rightarrow W^+W^-$ in the Fully Leptonic Decay Mode at the FCC-ee

Resumen Técnico: Mediciones de H → W⁺W⁻ en el modo de desintegración totalmente leptónico en el FCC-ee

Problema y Motivación
El descubrimiento del bosón de Higgs por las colaboraciones ATLAS y CMS completó el Modelo Estándar, pero el estudio de precisión de sus propiedades sigue siendo un objetivo primordial para futuras instalaciones. El Futuro Colisionador Circular (FCC), específicamente la fase de colisionador electrón-positrón (FCC-ee), se propone realizar estas mediciones de precisión. Un objetivo crítico es medir el acoplamiento del Higgs con los bosones W a través del canal de desintegración $H \to W^+W^-$. Si bien la fracción de ramificación para esta desintegración es aproximadamente del 21% (la segunda más grande después de $b\bar{b}$), el modo de desintegración totalmente leptónico ($H \to WW \to \ell\ell\nu\nu$) presenta un desafío debido a las bajas fracciones de ramificación en comparación con los modos hadrónicos. Sin embargo, la ausencia de pileup en el FCC-ee y la falta de jets en el estado final ofrecen una oportunidad única para mediciones de alta precisión del proceso $e^+e^- \to ZH$ con $Z \to \ell\ell$ y $H \to WW \to \ell\ell\nu\nu$. Este artículo presenta un estudio de la precisión esperada en la medición de $\sigma(e^+e^- \to ZH) \times \text{Br}(H \to W^+W^-)$ en este modo totalmente leptónico a dos energías de centro de masa: $\sqrt{s} = 240$ GeV y $\sqrt{s} = 365$ GeV.

Metodología
El análisis utiliza muestras de Monte Carlo de la campaña Winter2023 de la Colaboración FCC, generadas mediante Whizard y Pythia6/8, y procesadas a través del paquete de simulación rápida Delphes para modelar la respuesta del detector IDEA. El estudio se centra en seis estados finales ortogonales definidos por el número de electrones y muones en el sistema $Z(\ell\ell)H(WW(\ell\ell\nu\nu))$:

1. $Z(\mu\mu)H(ee)$ y $Z(ee)H(\mu\mu)$
2. $Z(\mu\mu)H(e\mu)$ y $Z(ee)H(e\mu)$
3. $Z(\mu\mu)H(\mu\mu)$ y $Z(ee)H(ee)$

La estrategia de análisis procede en dos etapas:

1. Preselección y Flujo de Cortes (Cut-Flow): Se requiere que los eventos tengan al menos cuatro leptones ($|\vec{p}_\ell| > 5$ GeV) y energía faltante ($E_{miss} > 5$ GeV). Los criterios específicos de cada canal imponen la ortogonalidad (por ejemplo, conteos exactos de sabor de leptón y carga neta cero). El bosón Z se reconstruye a partir de pares de leptones de mismo sabor y signo opuesto, y se calcula la masa de retroceso ($m_{recoil}$) para identificar el bosón de Higgs. Se aplican cortes en la ventana de masa del Z, el momento del leptón, la masa de retroceso (110–150 GeV) y la pseudorapidez de la energía faltante ($|\eta_{miss}| < 2.0$).
2. Análisis Multivariante (MVA): Para discriminar aún más la señal del fondo (dominado por procesos $ZZ$, $WW$y$ZH$), se emplea un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) utilizando el paquete XGBoost. El modelo utiliza 44 características, incluyendo cinemática de bajo nivel (cuatro-momentos, momento faltante) y variables de alto nivel (masas invariantes, distancias angulares $\Delta R$, masa de retroceso). El BDT se entrena con una división de 3:1 entre conjuntos de entrenamiento y prueba, utilizando hiperparámetros optimizados para prevenir el sobreajuste (por ejemplo, profundidad máxima de 5, 1000 estimadores).

Resultados Clave
El estudio evalúa la significación de la señal ($S/\sqrt{S+B}$) y la incertidumbre relativa para los seis canales en ambas energías:

• A $\sqrt{s} = 240$ GeV (Luminosidad = 10.8 ab$^{-1}$):

  • La preselección produce significaciones que oscilan entre $\approx 1.8\sigma$ y $5.4\sigma$ dependiendo del canal.
  • Tras aplicar el corte MVA (puntuación > 0.6), las significaciones mejoran significativamente, alcanzando hasta $19.0\sigma$ en el canal $Z(\mu\mu)H(e\mu)$ y $18.5\sigma$ en $Z(ee)H(e\mu)$.
  • La incertidumbre relativa combinada de $\sigma(e^+e^- \to ZH) \times \text{Br}(H \to W^+W^-)$ es del 2.9%, lo que corresponde a una significación combinada de aproximadamente 35.1$\sigma$. Las incertididades de los canales individuales oscilan entre el 5.1% y el 7.2%.

• A $\sqrt{s} = 365$ GeV (Luminosidad = 3.12 ab$^{-1}$):

  • Debido a la menor luminosidad integrada y a las diferentes secciones eficaces, las significaciones de preselección son menores (0.6$\sigma$ a 1.9$\sigma$).
  • Post-MVA, las significaciones alcanzan un máximo de $6.7\sigma$ en el canal $Z(\mu\mu)H(e\mu)$.
  • La incertidumbre relativa combinada es del 6.8%, lo que corresponde a una significación de 14.7$\sigma$. Las incertidumbres de los canales individuales son de aproximadamente el 14%.

Significación y Reivindicaciones
El artículo concluye que el FCC-ee ofrece una vía para realizar mediciones altamente precisas del acoplamiento del Higgs con los bosones W en el modo de desintegración totalmente leptónico. Los resultados indican que las mediciones a $\sqrt{s} = 240$ GeV son significativamente más precisas que las de $\sqrt{s} = 365$ GeV, logrando una incertidumbre relativa del 2.9% frente al 6.8%. Los autores afirman que el uso de técnicas de Análisis Multivariante, específicamente el Árbol de Decisión Potenciado, mejora sustancialmente la discriminación entre señal y fondo en todos los canales. El estudio demuestra que el modo totalmente leptónico, a pesar de su baja fracción de ramificación, es un canal viable y preciso para las mediciones de las propiedades del Higgs en el FCC-ee, libre de las complicaciones de la reconstrucción de jets y del pileup.