Measurement of the Higgs boson decay to a low-mass dilepton system and a photon in $pp$ collisions at $\sqrt{s} =$ 13 and 13.6 TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Medición de la desintegración del bosón de Higgs en un sistema de dileptones de baja masa y un fotón en colisiones $pp$a$\sqrt{s}=13$ y 13.6 TeV con el detector ATLAS

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (SM) predice que el bosón de Higgs puede desintegrarse en un fotón y un par de leptones ($H \to \ell\ell\gamma$, donde $\ell = e, \mu$) principalmente a través de procesos inducidos por bucles. Este canal de desintegración, específicamente en la región de baja masa invariante del sistema dileptónico ($m_{\ell\ell} < 30$ GeV), está dominado por el proceso $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$. Aunque la relación de ramificación es aproximadamente el 5% de la tasa de $H \to \gamma\gamma$, la observación experimental es desafiante debido a la baja masa del par dileptónico y al alto momento transverso del sistema, lo que puede causar que las cascadas electromagnéticas de los electrones se fusionen en el calorímetro.

Este análisis tiene como objetivo medir la intensidad de la señal del proceso $H \to \ell\ell\gamma$ en la región $m_{\ell\ell} < 30$ GeV. Esta medición complementa las búsquedas previas de $H \to Z\gamma$ (donde $m_{\ell\ell} > 30$ GeV) y proporciona una sonda única de la interacción Higgs-fotón inducida por bucles, de forma independiente de la sección eficaz de producción del Higgs. Además, la virtualidad no nula del fotón intermedio ($\gamma^*$) ofrece sensibilidad a posibles efectos de nueva física y permite el estudio de las propiedades CP del bosón de Higgs a través de la asimetría de la dirección hacia adelante-atrás (forward-backward).

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

• Muestras de Datos: El conjunto de datos principal corresponde a una luminosidad integrada de 164 fb$^{-1}$ recolectada a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV durante 2022–2024 (Run 3). Estos resultados se combinan con un análisis previo utilizando 139 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018).
• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo un fotón y un par de leptones de mismo sabor y carga opuesta ($e^+e^-$ o $\mu^+\mu^-$). La masa invariante dileptónica se restringe a $m_{\ell\ell} < 30$ GeV, y la masa invariante de tres cuerpos $m_{\ell\ell\gamma}$ debe estar dentro de la ventana de masa del Higgs (110–160 GeV).
• Reconstrucción de Objetos:
  • Dielectrones Fusionados: Un desafío significativo en el canal $ee\gamma$ es el solapamiento de las cascadas de electrones. Se desarrolló un algoritmo de Árbol de Decisión Potenciado (BDT) dedicado, entrenado mediante LightGBM, para identificar candidatos de "dielectrón fusionado" donde dos trazas coinciden con un único cúmulo en el calorímetro. Este algoritmo mejora la eficiencia de la señal aproximadamente un 5% en comparación con los métodos previos basados en cortes, manteniendo la capacidad de rechazo de fondo.
  • Disparadores (Triggers): Se empleó una combinación de disparadores de leptón simple, dileptón, fotón simple, difotón y leptón+fotón, con disparadores de bajo umbral específicos suplementados por disparadores de mayor $p_T$ para mantener la eficiencia ante la alta luminosidad instantánea.
• Categorización: Los eventos seleccionados se dividen en nueve categorías mutuamente excluyentes basadas en el sabor de los leptones ($\mu\mu$, $ee$ resuelto, $ee$ fusionado) y la topología del evento:
  1. VBF: Eventos con dos jets frontales que satisfacen criterios cinemáticos específicos ($m_{jj} > 500$ GeV, $|\Delta\eta_{jj}| > 2.7$).
  2. Alto $p_{Tt}$: Eventos que no cumplen los criterios de VBF pero exhiben un alto momento transverso proyectado sobre el eje de empuje (thrust axis) de $\ell\ell\gamma$ ($p_{Tt} > 100$ GeV).
  3. Bajo $p_{Tt}$: Todos los eventos restantes.
• Modelado de Señal y Fondo:
  • Señal: Modelada utilizando una función de Crystal Ball de doble lado (DSCB) derivada de simulaciones de Monte Carlo (MC) de $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$.
  • Fondo: El fondo dominante es la producción no resonante $\ell\ell\gamma$ irreducible. Su forma se modela utilizando funciones paramétricas (exponenciales, polinomios o leyes de potencia) seleccionadas mediante un estudio de señal espuria. Los fondos resonantes de $H \to \gamma\gamma$ (donde un fotón se convierte) y los leptones/fotones falsos se estiman utilizando técnicas basadas en datos y plantillas de MC.
• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud no binario simultáneo en las distribuciones de $m_{\ell\ell\gamma}$ en todas las nueve categorías. Las incertidumbres sistemáticas (experimentales y teóricas) se incorporan como parámetros de molestia (nuisance parameters).

Contribuciones Clave

1. Medición de Run-3: Este artículo presenta la primera medición de $H \to \ell\ell\gamma$ utilizando el conjunto completo de datos de 164 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.
2. Identificación de Dielectrones Fusionados: El desarrollo y la aplicación de un algoritmo de identificación basado en BDT para candidatos de dielectrón fusionado mejora significativamente la sensibilidad del canal $ee\gamma$, incrementando la significancia esperada en un 5% respecto a los enfoques previos basados en cortes.
3. Análisis Combinado: Los resultados se combinan con el análisis de Run-2, proporcionando la medición más precisa de este modo de desintegración hasta la fecha, con una mejora en la potencia estadística y una reducción de las incertidumbres sistemáticas mediante la combinación de conjuntos de datos con diferentes energías de centro de masa y condiciones del detector.

Resultos

• Solo Run-3 (13.6 TeV):
  • El parámetro de intensidad de la señal observado ($\mu$), definido como la razón entre el rendimiento observado y la expectativa del SM, se mide como $\mu = 0.64^{+0.44}_{-0.39}$.
  • La intensidad de la señal esperada es $\mu = 1.00^{+0.47}_{-0.41}$.
  • La significancia observada (esperada) sobre la hipótesis de solo fondo es de 1.7$\sigma$ (2.5$\sigma$).
  • La sección eficaz multiplicada por la relación de ramificación medida es de $4.1^{+2.8}_{-2.5}$ fb.
• Combinación Run-2 y Run-3:
  • La intensidad de la señal observada combinada es $\mu = 1.03^{+0.35}_{-0.32}$.
  • La intensidad de la señal esperada combinada es $\mu = 1.00^{+0.34}_{-0.32}$.
  • La significancia observada (esperada) combinada es de 3.4$\sigma$ (3.3$\sigma$).
  • El resultado es consistente con la predicción del Modelo Estándar ($p$-valor de 0.41 para el ajuste de Run-3).

Significancia
El artículo reporta un resultado de Run-2 con una significancia de 3.2$\sigma$ como "evidencia" del proceso $H \to \ell\ell\gamma$. La nueva medición de Run-3 arroja una significancia observada de 1.7$\sigma$, mientras que la combinación de los datos de Run-2 y Run-3 resulta en una significancia observada de 3.4$\sigma$. Este resultado combinado es consistente con la predicción del Modelo Estándar y representa la medición más precisa de este modo de desintegración hasta la fecha. La medición valida la predicción del SM para este canal de desintegración raro e inducido por bucles y demuestra la capacidad del detector ATLAS para reconstruir estados finales complejos que involucran cascadas electromagnéticas fusionadas. Además, ofrece una prueba complementaria de la estructura de bucle de la interacción Higgs-fotón y establece una base para futuras mediciones de precisión y búsquedas de nueva física en el espectro de masa dileptónica baja.