Prospects for Measuring $H\to \rm{invisble}$ at the FCCee

Resumen Técnico: Perspectivas para la Medición de H → Invisible en el FCC-ee

Problema y Motivación
En el Modelo Estándar (ME), el bosón de Higgs posee una pequeña pero no nula fracción de ramificación para desintegraciones invisibles, principalmente vía $H \to ZZ \to \nu\bar{\nu}\nu\bar{\nu}$, estimada en un 0.106%. Si bien los experimentos actuales del LHC (ATLAS y CMS) han establecido límites superiores para esta fracción de ramificación, el Colisionador Circular Futuro electrón-positrón (FCC-ee) ofrece un entorno único para mediciones de precisión. Operando a una energía en el centro de masas de $\sqrt{s} = 240$ GeV con una luminosidad integrada de 10.8 ab$^{-1}$, se espera que el FCC-ee produzca aproximadamente $2.2 \times 10^6$ bosones de Higgs. Este alto rendimiento, combinado con el modo de producción limpio $e^+e^- \to ZH$, proporciona una oportunidad para sondear desintegraciones invisibles del Higgs con una sensibilidad significativamente mejorada en comparación con los colisionadores hadrónicos. Este estudio investiga las perspectivas para medir la fracción de ramificación $B(H \to \text{invisible})$ en el FCC-ee.

Metodología
El análisis se centra en el proceso de producción $ZH$ donde el bosón de Higgs se desintegra invisiblemente ($H \to \text{inv}$) y el bosón $Z$ se desintegra en tres canales distintos:

1. Leptónico: $Z \to e^+e^-$
2. Leptónico: $Z \to \mu^+\mu^-$
3. Hadrónico: $Z \to jj$ (incluyendo $b\bar{b}, c\bar{c}, s\bar{s}, q\bar{q}$)

Simulación y Generación de Eventos:
Los eventos de señal y fondo se generaron utilizando muestras de Monte Carlo de la Campaña Invierno2023 del FCC-ee. Se simuló el proceso de señal $e^+e^- \to ZH$ con $H \to ZZ \to \nu\bar{\nu}\nu\bar{\nu}$. Los fondos incluyeron procesos que imitan la señal, como $ZZ$, $WW$, $Z\gamma^*$ y producción de Higgs no invisible ($H \to ZZ, WW$). La generación de eventos utilizó Whizard3 y Pythia8, seguida de showering de partones y hadronización en Pythia6. Los efectos del detector se modelaron utilizando la respuesta paramétrica del detector IDEA propuesto a través del marco de software Delphes, incorporando radiación de estado inicial y final y dispersión gaussiana del haz.

Reconstrucción y Selección:
El análisis se realizó dentro del marco de software FCCAnalyses. Los eventos se categorizaron en tres canales ortogonales basados en los productos de desintegración del $Z$.

• Preselección: Se requirió exactamente dos electrones o muones (para canales leptónicos) o dos jets (para el canal hadrónico) con $p > 5$ GeV, cero contaminación de otras especies, y un momento transversal faltante $p_{miss} > 5$ GeV. Para el canal hadrónico, el agrupamiento de jets se realizó utilizando el algoritmo exclusivo Durham $k_T$ con $N_{jet}=2$.
• Cortes Cinemáticos: La masa del bosón $Z$ se restringió a $[87, 95]$ GeV. La masa de retroceso ($M_{Recoil}$), calculada a partir de los productos de desintegración visibles del $Z$, se requirió que estuviera entre 120 y 130 GeV para seleccionar candidatos de Higgs. Se aplicó un corte en el ángulo del momento faltante, $|\cos \theta_{miss}| < 0.95$, para suprimir fondos.
• Análisis Multivariado (MVA): Se empleó un Árbol de Decisión Boosted (BDT) implementado en XGBoost para discriminar aún más la señal del fondo. Las características de entrada incluyeron observables cinemáticos (cuatro-momentos, momento transversal faltante, energía visible, masa de retroceso) y variables derivadas como el desequilibrio de momento y relaciones de momentos transversales. El BDT se entrenó sobre eventos preseleccionados, y se aplicó un corte final de puntuación MVA $> 0.95$.

Resultados Clave
El estudio evaluó la significancia estadística y derivó límites superiores para la fracción de ramificación $B(H \to \text{inv})$ en cada canal y en combinación:

• Significancia: Después de la selección final MVA, los canales individuales arrojaron bajas significancias: $0.59\sigma$ para $Z(ee)$, $0.65\sigma$ para $Z(\mu\mu)$ y $3.14\sigma$ para $Z(jj)$. La mayor sensibilidad en el canal hadrónico se atribuye a la mayor fracción de ramificación de $Z \to \text{hadrónico}$ ($\sim 69\%$) en comparación con las desintegraciones leptónicas ($\sim 3.4\%$), a pesar de los niveles más altos de fondo.
• Límites Superiores: Utilizando el software CMS Combine con la función AsymptoticLimits, se calcularon límites superiores al 95% de Nivel de Confianza (CL). Los límites individuales fueron:
  • $Z(ee)$: 0.43%
  • $Z(\mu\mu)$: 0.35%
  • $Z(jj)$: 0.15%
• Límite Combinado: El límite superior combinado sobre $B(H \to \text{invisible})$ a través de los tres canales es 0.15%.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que con el conjunto de datos proyectado del FCC-ee a $\sqrt{s} = 240$ GeV, el experimento puede establecer un límite superior estricto de 0.15% sobre la fracción de ramificación invisible del Higgs al 95% CL. Este resultado representa una mejora significativa sobre los límites actuales y demuestra el potencial del FCC-ee para medir con precisión las propiedades del Higgs, incluso en ausencia de una señal de descubrimiento de 5$\sigma$ en los canales individuales. El análisis destaca el papel crítico del canal de desintegración hadrónica del $Z$ en lograr la mejor sensibilidad debido a su mayor rendimiento de eventos, validando la estrategia de combinar múltiples modos de desintegración para maximizar el potencial de descubrimiento de desintegraciones invisibles.