Searches for resonant and nonresonant multi-Higgs production in ATLAS and CMS

Resumen Técnico: Búsquedas de producción de multi-Higgs resonante y no resonante en ATLAS y CMS

Problema y Motivación
La medición de los auto-acoplamientos del bosón de Higgs es un objetivo físico primordial del programa del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ya que estos acoplamientos definen la forma del potencial de Higgs y ofrecen sensibilidad a la física más allá del Modelo Estándar (BSM). El acoplamiento trilineal se sondea mediante la producción de di-Higgs ($HH$), la cual tiene una sección eficaz aproximadamente $10^3$ veces menor que la producción de un solo Higgs. El acoplamiento cuartico es accesible a través de la producción de tri-Higgs ($HHH$), con una sección eficaz aproximadamente $5 \times 10^2$ veces menor que la de di-Higgs. Además, las búsquedas resonantes de escalares pesados que decaen en pares de Higgs o en un Higgs y un nuevo escalar están motivadas por diversos modelos BSM. El artículo presenta resultados recientes de las colaboraciones ATLAS y CMS que cubren tanto la producción de multi-Higgs resonante como la no resonante en diversos estados finales, utilizando datos del LHC Run 2 ($\sqrt{s} = 13$ TeV) y principios de Run 3 ($\sqrt{s} = 13.6$ TeV).

Metodología
Los análisis emplean técnicas avanzadas de aprendizaje automático y estrategias optimizadas para separar los procesos de señal raros de los fondos dominantes. Los enfoques metodológicos clave incluyen:

• Búsquedas de Di-Higgs ($HH$):

  • $HH \to b\bar{b}\gamma\gamma$: ATLAS utilizó una combinación de datos completos de Run 2 y parciales de Run 3 (308 fb$^{-1}$), empleando Árboles de Decisión Potenciados (BDTs) entrenados en regiones cinemáticas definidas por la masa invariante $b\bar{b}\gamma\gamma$. Las regiones de señal (SRs) se definieron basadas en las salidas de los BDT y se realizó un ajuste simultáneo de la distribución $m_{\gamma\gamma}$ a través de 14 SRs exclusivas. CMS analizó 62 fb$^{-1}$ de datos de Run 3 utilizando dos enfoques: un ajuste 1D ($m_{\gamma\gamma}$ solamente) y un ajuste 2D ($m_{\gamma\gamma}$ y $m_{b\bar{b}}$). Ambos utilizaron métodos multiclase multivariantes para construir SRs "resueltas" y "potenciadas" (boosted).
  • $HH \to WWbb$: CMS analizó 62 fb$^{-1}$ de datos de Run 3, categorizando las señales de fusión gluón-gluón (ggF) y fusión de bosones vectoriales (VBF) en SRs resueltas y potenciadas basadas en el recuento de jets con etiqueta $b$. Se utilizaron redes neuronales (NNs) binarias y multiclase para separar la señal de los fondos ($t\bar{t}$, $t$, $DY$).
  • Producción $t\bar{t}HH$: ATLAS realizó la primera búsqueda para este proceso utilizando 196 fb$^{-1}$ (datos de 2015–2023). Se abordaron tres firmas: leptón único ($1L$), leptones de misma carga/multileptones ($SSML$), y$b\bar{b}\gamma\gamma$. Se aplicaron NNs tipo Transformer a las categorías $1L$ y $SSML$, mientras que se usaron BDTs para la categoría $b\bar{b}\gamma\gamma$. La extracción de la señal consistió en ajustes simultáneos de las salidas de las NN y las distribuciones de $m_{\gamma\gamma}$.
  • Combinaciones: Los análisis independientes de ATLAS y CMS se combinaron para maximizar la sensibilidad, resultando en los límites más estrictos hasta la fecha.

• Búsquedas de Tri-Higgs ($HHH$):

  • CMS buscó $HHH \to 6b$ usando 138 fb$^{-1}$ de datos de Run 2. Dada la baja eficiencia de reconstrucción (solo un $\sim25\%$ de los eventos tienen tres bosones de Higgs reconstruidos), el análisis utilizó SPANet para clasificar los eventos en señal ($HHH$) y fondo ($HH$, $t\bar{t}$, QCD). Una capa adicional de SPANet categorizó los eventos de señal en SRs basadas en el número de bosones de Higgs resueltos ($h$) o potenciados ($bh$).

• Búsquedas Resonantes:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Analizó datos de Run 2 y Run 3 (140 + 59 fb$^{-1}$) utilizando NNs parametrizadas (PNNs) en regiones con uno o dos jets con etiqueta $b$ para cubrir un amplio espacio de masa de parámetros para escalares pesados $X$ y $S$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ y $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Utilizó datos de Run 2 (138 fb$^{-1}$) con BDTs parametrizados en SRs con 0, 1 o 2 jets de radio grande para sondear diversas hipótesis de masa para $X$ e $Y$.

Resultados Clave

• Di-Higgs No Resonante ($HH$):

  • ATLAS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): La fuerza de la señal se midió como $\mu_{HH} = 0.9^{+1.3}_{-1.0}(\text{est.})^{+0.6}_{-0.5}(\text{sist.})$, consistente con el Modelo Estándar (SM). La significancia observada (esperada) fue de 0.84 (1.01) $\sigma$. Se establecieron límites superiores de $\mu_{HH} < 3.8$ (observado) y $\mu_{HH} < 3.7$ (esperado). Las restricciones sobre los modificadores de acoplamiento fueron $\kappa_\lambda = 2.7^{+2.3}_{-3.0}$ y $\kappa_{2V} = 1.6^{+0.6}_{-1.9}$.
  • CMS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): Usando el enfoque de ajuste 2D, los límites superiores observados (esperados) fueron $\mu_{HH} < 11$ (7.3). El modificador $\kappa_\lambda$ se restringió al rango $-6.1 < \kappa_\lambda < 12.8$.
  • CMS ($WWbb$): El límite superior observado (esperado) en la fuerza de la señal fue 12.7 (18.6). Las restricciones fueron $\kappa_\lambda \in [-9.7, 15.8]$ y $\kappa_{2V} \in [-0.27, 2.32]$.
  • ATLAS ($t\bar{t}HH$): El límite superior observado (esperado) en la fuerza de la señal fue $\mu_{HH} < 20$ (21). El coeficiente de Wilson $c_{t\bar{t}HH}$ se restringió a $[-3.9, 3.4]$.
  • Combinación ATLAS/CMS: La combinación de análisis independientes produjo los límites más estrictos hasta la fecha: $\mu_{HH}^{\text{observado(esperado)}} < 2.5(1.7)$, con las restricciones más ajustadas para $\kappa_\lambda$ y $\kappa_{2V}$.

• Tri-Higgs No Resonante ($HHH$):

  • CMS ($6b$): El análisis proporcionó el mejor límite hasta la fecha sobre la producción de tri-Higgs, con $\mu_{HHH}^{\text{observado(esperado)}} < 588(572)$. El modificador del acoplamiento cuartico fue restringido como $|\kappa_4| < 190$.

• Búsquedas Resonantes:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): No se reportaron excesos significativos; la significancia local más alta fue del orden de 2$\sigma$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ y $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Se establecieron límites superiores en las secciones eficaces de producción, resultando comparables a los de estados finales más sensibles como $H \to \gamma\gamma$ y $H \to \tau\tau$.

Significancia y Perspectivas
El artículo destaca que las colaboraciones ATLAS y CMS han alcanzado un nivel de madurez en los análisis de Run 2, lo que permite combinaciones exhaustivas que mejoran significativamente la sensibilidad. La integración de los datos de Run 3 y la aplicación de aprendizaje automático de vanguardia (incluyendo NNs tipo Transformer, SPANet y PNNs) han mejorado la capacidad de sondear estos procesos raros. Aunque los resultados actuales son consistentes con el Modelo Estándar, los esfuerzos en curso están allanando el camino para las proyecciones del LHC de Alta Luminosidad, que anticipan una significancia esperada que superará los 7$\sigma$ para la observación de la producción de di-Higgs hacia el final del programa de funcionamiento de la Fase 2.