Combined measurements and interpretations of Higgs boson production and decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Mediciones Combinadas e Interpretaciones de la Producción y Desintegración del Bosón de Higgs en Colisiones Protón-Protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Alcance
Este artículo presenta el estudio más exhaustivo de las propiedades del bosón de Higgs realizado por la Colaboración CMS hasta la fecha. Informa de una combinación estadística de mediciones relativas a las tasas de producción y desintegración del bosón de Higgs utilizando datos de colisiones protón-protón recolectados entre 2016 y 2018 a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$. El análisis tiene como objetivo caracterizar las interacciones del bosón de Higgs con las partículas del Modelo Estándar (SM) con alta precisión, probar la validez del SM y restringir la posible física Más Allá del Modelo Estándar (BSM). El estudio cubre siete canales de desintegración ($H \to \gamma\gamma, ZZ, WW, \tau\tau, bb, \mu\mu, Z\gamma$), búsquedas de desintegraciones invisibles y mediciones de producción fuera de la resonancia (off-shell).

Metodología
La combinación estadística integra hasta 1951 categorías de eventos de 19 análisis de entrada. Estos análisis se dirigen a varios mecanismos de producción: fusión de gluones (ggH), fusión de bosones vectoriales (VBF), producción asociada con bosones vectoriales (VH), producción asociada con quarks top (ttH) y producción asociada con un único quark top (tH).

• Marco Estadístico: La combinación emplea un estadístico de prueba de razón de verosimilitud de perfil (profile likelihood ratio). La función de verosimilitud se construye como un producto de funciones de verosimilitud sobre regiones de análisis mutuamente excluyentes (regiones de señal y de control), restringidas por parámetros de perturbación (NPs) que representan incertidumbres sistemáticas.
• Parametrización de la Señal: El estudio utiliza múltiples modelos de parametrización para extraer resultados:
  • Fortalezas de la Señal ($\mu$): Medidas a niveles inclusivo, por producción, por desintegración y por producción y desintegración.
  • Secciones Eficas de Plantilla Simplificada (STXS): Las mediciones se realizan en dos niveles de granularidad. La Etapa 0 define secciones eficaces para procesos de producción inclusivos dentro de una región fiducial ($|y_H| < 2.5$). La Etapa 1.2 particiona el espacio de fases basándose en propiedades cinemáticas (por ejemplo, $p_T^H$, multiplicidad de jets, masa de dijets) para aislar regiones sensibles a efectos BSM y reducir las incertidumbres teóricas.
  • Modificadores de Acoplamiento ($\kappa$): Las interpretaciones se proporcionan en el marco $\kappa$, escalando las secciones eficaces de producción y las anchuras de desintegración. Se prueban tanto modelos de bucle "resueltos" (distinguiendo las contribuciones de los quarks top y bottom) como modelos de bucle "efectivos".
  • Teoría de Campos Efectivos (SMEFT): Se establecen restricciones sobre los coeficientes de Wilson (WCs) utilizando parametrizaciones lineales y lineales más cuadráticas. Se utiliza un Análisis de Componentes Principales (PCA) para identificar combinaciones lineales de WCs que pueden ser restringidas simultáneamente.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres teóricas (correcciones QCD/EW, PDFs, $\alpha_S$) y las experimentales (luminosidad, escalas de energía de leptones/jets, etiquetado de b, pileup) se tratan como NPs. Se aplica una estrategia de poda (pruning) para reducir la complejidad del modelo sin afectar significativamente los resultados.
• Datos de Entrada: La combinación incluye nuevas mediciones no presentes en combinaciones previas de CMS, tales como VBF $H \to bb$, producción de alto $p_T$ $H \to bb$, producción off-shell $H \to ZZ \to 4\ell$, y desintegraciones invisibles mediante ttH/VH.

Contribuciones Clave

• Primera Combinación STXS de CMS: Este artículo presenta la primera medición combinada de STXS de CMS, proporcionando mediciones granulares de secciones eficaces a través de 32 regiones cinemáticas en la Etapa 1.2.
• Canales de Desintegración Expandidos: Incorpora las primeras mediciones de $H \to bb$ mediante VBF y producción de alto $p_T$, e incluye búsquedas de desintegraciones invisibles y producción off-shell para restringir la anchura de desintegración total.
• Interpretaciones Exhaustivas: Los resultados se interpretan dentro del marco de modificadores de acoplamiento (incluyendo las restricciones sobre el autoacoplamiento trilineal de Higgs mediante correcciones NLO EW) y el marco SMEFT, proporcionando restricciones sobre 43 coeficientes de Wilson y 17 componentes principales.

Resultados

• Fortaleza de la Señal Inclusiva: El rendimiento de la señal inclusiva del mejor ajuste se mide en $1.014^{+0.055}_{-0.053}$ veces la expectativa del SM. El resultado muestra una buena compatibilidad con el SM ($p_{SM} = 0.80$).
• Canales de Producción y Desintegración:
  • Las mediciones por producción muestran una pequeña tensión con el SM ($p_{SM} = 0.02$), impulsada principalmente por un exceso en el proceso de producción $tH$($\mu_{tH} \approx 5.9$) y valores elevados para $WH$y$ZH$.
  • Las mediciones por desintegración muestran una mejor compatibilidad ($p_{SM} = 0.33$), con las mayores desviaciones en $\mu_{\tau\tau}$ y $\mu_{Z\gamma}$, aunque consistentes con el SM dentro del 95% CL.
  • La precisión en la fortaleza de la señal de $H \to bb$ ha mejorado significamente (intervalo de 68% CL de $\pm 15\%$) en comparación con combinaciones anteriores.
• Mediciones STXS:
  • Las secciones eficaces de la Etapa 0 muestran una tensión con el SM ($p_{SM} = 0.012$), impulsada por excesos en las regiones leptónicas de alto $p_T$ de $tH$y$VH$.
  • Las mediciones de la Etapa 1.2 revelan desviaciones en regiones cinemáticas específicas, notablemente en la producción leptónica de $WH$y$ZH$ con $p_T^V > 250$ GeV (excediendo al SM por $\sim 2.1-2.2\sigma$) y el bin de alto $p_T$ de $ggH$($450 < p_T^H < 650$ GeV). La compatibilidad general para la Etapa 1.2 es $p_{SM} = 0.06$.
• Modificadores de Acoplamiento:
  • Los ajustes de bucle resueltos arrojan modificadores de acoplamiento consistentes con el SM ($p_{SM} = 0.12$). Los acoplamientos de bosones vectoriales ($\kappa_W, \kappa_Z$) se miden con una precisión de $\sim 6\%$; los acoplamientos de fermiones de tercera generación ($\kappa_t, \kappa_b, \kappa_\tau$) con $\sim 6-12\%$; y $\kappa_\mu$ con $\sim 20\%$.
  • Los datos restringen la anchura total del bosón de Higgs y establecen límites en las fracciones de ramificación invisibles.
• Restricciones SMEFT:
  • Los coeficientes de Wilson individuales están restringidos, con los límites más estrictos en $c_{HG}$ y $c_{HB}$ (sondando escalas de nueva física $\Lambda \sim 15$ TeV).
  • Se observa una desviación del SM en el coeficiente $c^{(3)}_{Hq}$ ($p_{SM} = 0.01$), que correlaciona con los excesos en la producción de VH de alto $p_T$.
  • El PCA identifica 17 vectores propios restringidos, siendo la dirección más sensible impulsada por $ggH$ en el canal $H \to \gamma\gamma$. Los resultados generales de SMEFT son compatibles con el SM ($p_{SM} = 0.11$).

Significancia
El artículo afirma representar la caracterización más completa y granular del bosón de Higgs por parte de la Colaboración CMS. Al combinar una amplia gama de canales de desintegración y modos de producción, incluyendo procesos raros y contribuciones off-shell, el análisis reduce significativamente las incertidumbres estadísticas y proporciona una prueba robusta del SM. La introducción de las mediciones STXS Etapa 1.2 permite una visión más diferencial de las propiedades del Higgs, aislando regiones donde los efectos BSM podrían manifestarse. Los resultados generalmente apoyan las predicciones del SM, aunque los excesos cinemáticos específicos (particularmente en $tH$ y alto $p_T$ de $VH$) requieren mayor investigación. Las restricciones proporcionadas sobre los modificadores de acoplamiento y los parámetros SMEFT sirven como entradas críticas para ajustes globales y construcción de modelos teóricos. Todos los resultados tabulados están disponibles a través de HEPData para facilitar su reinterpretación.