Study of ZZ and ZH production in the bb$\tau\tau$ final state and search for high-mass spin-0 and spin-1 resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Estudio de la producción de ZZ y ZH en el estado final $bb\tau\tau$ y búsqueda de resonancias de alta masa

Problema y Motivación
El descubrimiento del bosón de Higgs ($H$) validó el Modelo Estándar (SM), pero parámetros críticos como el autoacoplamiento del Higgs ($\lambda$) permanecen sin medir. La medición de la producción de pares de bosones de Higgs ($HH$) es la vía principal para restringir $\lambda$. El canal de desintegración $HH \to bb\tau\tau$ ofrece una alta sensibilidad, pero enfrenta desafíos experimentales significativos, incluyendo fondos elevados y una reconstrucción compleja. Para refinar las estrategias de análisis para la Alta Luminosidad del LHC (HL-LHC) y mejorar la robustez de las búsquedas de $HH \to bb\tau\tau$, es necesario estudiar procesos del SM experimentalmente bien establecidos que compartan características topológicas similares. La producción asociada de un bosón $Z$ y un bosón $Z$ ($ZZ$) o un bosón $Z$ y un bosón de Higgs ($ZH$) en el estado final $bb\tau\tau$ sirve como un banco de pruebas (benchmark) ideal. Estos procesos comparten los desafíos experimentales de la búsqueda de $HH$, pero poseen secciones eficaces significativamente mayores (aproximadamente 64 veces mayores para $ZZ$ y 2.2 veces mayores para $ZH$). Además, estos canales proporcionan una oportunidad única para sondear la física más allá del Modelo Estándar (BSM), específicamente la búsqueda de resonancias pesadas de espín-0 ($X$) que se desintegran en $ZZ$ y resonancias de espín-1 ($Z'$) que se desintegran en $ZH$, las cuales podrían surgir de extensiones tales como modelos de singletes, modelos de doble doblete de Higgs o dimensiones extra de tipo warped.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). El estudio se centra en tres estados finales específicos:

1. $ZZ \to bb\tau\tau$ (denotado como $ZbbZ\tau\tau$)
2. $ZH \to (Z \to bb)(H \to \tau\tau)$ (denotado como $ZbbH\tau\tau$)
3. $ZH \to (Z \to \tau\tau)(H \to bb)$ (denotado como $Z\tau\tau Hbb$)

Reconstrucción y Selección de Eventos:

• Modos de Desintegración de Tau: El análisis considera tres modos de desintegración $\tau\tau$: $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$ y $\tau_h\tau_h$, cubriendo el 87.6% de las desintegraciones $\tau\tau$.
• Regímenes Cinemáticos: Los eventos se categorizan en regímenes "resolved" (resuelto) y "boosted" (acelerado/boosted) basados en el impulso de Lorentz de los sistemas $\tau\tau$ y $bb$.
  • Resolved: Utiliza jets AK4 ($R=0.4$) y criterios de aislamiento estándar.
  • Boosted: Utiliza jets AK8 ($R=0.8$) y algoritmos de reconstrucción dedicados para objetos colimados.
• Identificación de Objetos:
  • Jets: Los jets AK4 se identifican usando el algoritmo DEEPJET (punto de trabajo medio). Los jets AK8 se identifican usando el algoritmo PARTICLENET (punto de trabajo de baja pureza) para etiquetar desintegraciones $Z/H \to bb$.
  • Taus: Los candidatos a tau hadrónicos se reconstruyen usando el algoritmo HPS y se identifican mediante los algoritmos DEEPTAU (resolved) o BOOSTEDDEEPTAU (boosted).
  • Leptones: Electrones y muones se reconstruyen con criterios estándar de CMS, con ajustes de aislamiento específicos para el régimen boosted.
• Categorización: Los eventos se clasifican en 12 categorías mutuamente excluyentes basadas en el canal de desintegración $\tau\tau$ (3) y el régimen de reconstrucción ($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$, boosted $bb$-boosted $\tau\tau$).
• Reconstrucción de Masa: La masa invariante del sistema $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) se reconstruye utilizando el algoritmo FASTMTT, el cual emplea la aproximación colineal y el momento transversal faltante ($p_T^{miss}$). La masa $bb$($m_{bb}$) se deriva de la masa invariante de dijets (resolved) o de la masa de soft-drop grooming (boosted). Se aplica una selección elíptica en el plano $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$ para seleccionar candidatos a señal.

Modelado de Fondo y Extracción de Señal:

• Fondos: Los fondos dominantes son la producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$) y los procesos Drell-Yan ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$). El fondo de multijets QCD se estima mediante métodos ABCD basados en datos. Otras contribuciones (top único, $W$+jets, dibosones) se modelan mediante simulaciones de Monte Carlo (MC).
• Extracción de Señal: Se entrenan Redes Neuronales Profundas (DNN) para discriminar la señal del fondo.
  • No resonante: Se entrenan DNNs dedicadas para cada proceso del SM ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$).
  • Resonante: Se entrena una red neuronal parametrizada para búsquedas resonantes ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$), utilizando la masa de la resonancia como un parámetro de entrada para permitir límites independientes del modelo a través de un rango de masas.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud por intervalos (binned maximum likelihood fit) sobre las distribuciones de salida de la DNN en todas las categorías y canales. Las incertidumbres sistemáticas (luminosidad, escalas de energía/identificación de objetos, secciones eficaces teóricas, PDFs y estadística de MC) se tratan como parámetros de molestia (nuisance parameters).

Contribuciones Clave y Resultados

• Primeras Mediciones: Este trabajo presenta las primeras mediciones de los procesos $ZZ \to bb\tau\tau$ y $ZH \to bb\tau\tau$.
• Mediciones del SM:
  • La fuerza de la señal ($\mu$) para $ZZ \to bb\tau\tau$ se mide como $0.10^{+0.70}_{-0.68}(\text{stat})^{+0.83}_{-0.84}(\text{syst})$.
  • La fuerza de la señal para $ZH \to bb\tau\tau$ se mide como $-1.4^{+1.2}_{-1.1}(\text{stat}) \pm 1.0(\text{syst})$.
  • Ambos resultados son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar.
  • Se establecen límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) en las secciones eficaces de producción, que oscilan entre 300 pb y 24 fb para $ZZ$ y de 0.4 pb a 12 fb para $ZH$.
• Búsquedas Resonantes:
  • Se realizan búsquedas de resonancias pesadas de espín-0 ($X \to ZZ$) en el rango de masa de 200 GeV – 5 TeV y de espín-1 ($Z' \to ZH$) en el rango de 500 GeV – 6 TeV.
  • No se observa ninguna desviación significativa de las expectativas del SM.
  • Se establecen límites superiores en $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ y $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ a través de los rangos de masa.
• Proyecciones de Sensibilidad: Las proyecciones para el HL-LHC sugieren que la evidencia para $ZZ \to bb\tau\tau$ podría alcanzarse con $\sim 1$ ab$^{-1}$ y la observación con $>2.5$ ab$^{-1}$, siempre que se reduzcan las incertidumbres sistemáticas. El proceso $ZH \to bb\tau\tau$ sigue siendo más desafiante, requiriendo probablemente mejoras sustanciales en los métodos de análisis y el modelado de fondos para su observación.

Significancia
El artículo establece los procesos $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ como "velas estándar" (standard candles) viables para el estado final $bb\tau\tau$. Al demostrar que las técnicas de análisis desarrolladas para estos procesos bien conocidos pueden aplicarse con éxito, el estudio valida las estrategias necesarias para la futura observación de la producción no resonante de pares de bosones de Higgs ($HH \to bb\tau\tau$). Los resultados proporcionan las primeras restricciones experimentales sobre la producción de $ZZ$y$ZH$ en este estado final específico y establecen los primeros límites sobre resonancias pesadas que se desintegran en estos estados en el canal $bb\tau\tau$, sondeando posibles aumentos en los acoplamientos a fermiones de tercera generación. El análisis confirma que, si bien el proceso $ZZ \to bb\tau\tau$ ofrece un camino más accesible hacia la observación que $HH \to bb\tau\tau$ debido a sus mayores secciones eficaces, sigue estando sujeto a desafíos de fondo significativos que deben abordarse para explotar plenamente el conjunto de datos del HL-LHC.