Combination of Higgs boson measurements at $\sqrt{s} =$ 13 TeV and their interpretations by the ATLAS experiment

Resumen Técnico: Combinación de Mediciones del Bosón de Higgs a $\sqrt{s}=13$ TeV y sus Interpretaciones por el Experimento ATLAS

Problema y Objetivo
El objetivo principal de este trabajo es realizar una combinación exhaustiva de las mediciones de producción y decaimiento del bosón de Higgs utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2 de colisiones protón–protón recolectadas por el experimento ATLAS a $\sqrt{s}=13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de hasta $140 \text{ fb}^{-1}$. Si bien anteriormente se han publicado análisis individuales dirigidos a canales específicos de producción y decaimiento, este artículo tiene como objetivo proporcionar una combinación unificada y estadísticamente rigurosa de 26 análisis de entrada. El objetivo es mejorar la precisión de las mediciones de las propiedades del bosón de Higgs, reducir las incertidumbres mediante la correlación de efectos sistemáticos y proporcionar una interpretación más robusta de los datos dentro del Modelo Estándar (SM) y más allá, incluyendo restricciones sobre acoplamientos, anchura total, autoacoplamiento y parámetros de la Teoría de Campos Efectivos (EFT).

Metodología
La combinación emplea un marco de verosimilitud global construido a partir de las funciones de verosimilitud de 26 análisis de entrada individuales. Estos análisis cubren una amplia gama de mecanismos de producción del bosón de Higgs (fusión de gluones–gluones, fusión de intercambio de bosones vectoriales, producción asociada con bosones $W/Z$, quarks top y quarks $b$, y producción de pares de Higgs) y canales de decaimiento ($H \to \gamma\gamma, ZZ^*, WW^*, \tau\tau, bb, \mu\mu, Z\gamma, cc$ e invisible).

• Tratamiento Estadístico: Se construye un modelo de verosimilitud combinado utilizando el marco RooFit, incorporando aproximadamente 6,300 parámetros de perturbación (NPs) para contabilizar las incertidumbres sistemáticas. Las incertidumbres correlacionadas (por ejemplo, luminosidad, funciones de distribución de partones, escalas de energía de chorros) se tratan mediante NPs compartidos entre los análisis, mientras que las incertidumbres no correlacionadas se gestionan por separado. Se aplica un procedimiento de decorrelación donde los NPs exhiben comportamientos significativamente diferentes en el modelo combinado en comparación con los ajustes individuales.
• Descomposición de la Incertidumbre: Las incertidumbres se descomponen en componentes estadísticas, de sistemática experimental, de teoría de la señal y de teoría del fondo. Se utiliza el método de "observable auxiliar desplazado" para la medición de la anchura total para asegurar una descomposición no correlacionada, mientras que el método de "incertidumbre condicional" se aplica a otros resultados.
• Marcos de Trabajo:
  • Marco $\kappa$: Los modificadores de acoplamiento ($\kappa$) se utilizan para escalar los acoplamientos del SM a bosones vectoriales y fermiones. Se exploran tanto las parametrizaciones "resueltas" (acoplamientos inducidos por bucles derivados de acoplamientos de nivel de árbol) como las "efectivas" (acoplamientos inducidos por bucles independientes).
  • Secciones Eficaces de Plantillas Simplificadas (STXS): Las mediciones cinemáticas se reportan en 44 regiones no superpuestas definidas por el esquema Stage 1.2, adaptadas a la sensibilidad de los análisis específicos.
  • Teoría de Campos Efectivos del Modelo Estándar (SMEFT): Los resultados se interpretan en el contexto de operadores de dimensión-6 en la base de Warsaw, considerando tanto las parametrizaciones lineales como las lineales+cuadráticas.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Fuerza de la Señal Inclusiva: La fuerza de la señal inclusiva del bosón de Higgs relativa a la predicción del SM se mide en $\mu = 0.990^{+0.053}_{-0.051} = 0.990 \pm 0.027 \text{ (est.)} \pm 0.024 \text{ (exp.)} ^{+0.037}_{-0.035} \text{ (teo. sig.)} ^{+0.016}_{-0.015} \text{ (teo. fondo)}$. Este resultado está en excelente acuerdo con el SM ($p$-valor = 77%). La incertidumbre total se reduce aproximadamente un 15% en comparación con la combinación anterior de ATLAS, siendo la incertidumbre de la teoría de la señal (dominada por términos de orden superior de QCD faltantes) el componente mayor.

2. Secciones Eficaces de Producción y Relaciones de Ramificación:

   • Se miden las secciones eficaces de producción para $ggF, VBF, WH, ZH, t\bar{t}H$ y $tH$. La sección eficaz de $tH$ muestra un ligero déficit pero permanece consistente con el SM ($p$-valor = 20%). Las incertidumbres para $WH, ZH$y$t\bar{t}H$ se reducen entre un 20% y un 40% respecto a resultados previos.
   • Las relaciones de ramificación para los principales modos de decaimiento ($H \to bb, WW^*, \tau\tau, ZZ^*, \gamma\gamma$) se miden con incertidumbres relativas entre el 8% y el 13%. Las incertidumbres para $H \to bb$ y $H \to WW^*$ se reducen en ~20%, y para $H \to \tau\tau$ en ~10%.

3. Modificadores de Acoplamiento (Marco $\kappa$):

   • Los acoplamientos a bosones vectoriales débiles ($\kappa_V$) y fermiones ($\kappa_F$) se miden como $1.002^{+0.027}_{-0.026}$ y $0.945^{+0.043}_{-0.041}$, respectivamente.
   • En un modelo con acoplamientos independientes para $W, Z, t, b, \tau, \mu$ y acoplamientos de bucle efectivos ($g, \gamma, Z\gamma$), todos los modificadores medidos son consistentes con las expectativas del SM.
   • El modificador de acoplamiento del quark charm se restringe a $|\kappa_c| < 4.1$ al 95% CL, lo que representa una mejora de un factor de dos sobre los límites anteriores.
   • Se obtiene la primera determinación de ATLAS de la masa de carrera del quark $b$ a la escala de masa del Higgs: $m_b(m_H) = 2.73^{+0.27}_{-0.25} \text{ GeV}$.

4. Anchura Total y Autoacoplamiento:

   • Combinando las tasas de producción on-shell y off-shell, la anchura total del bosón de Higgs se restringe a $\Gamma_H = 3.6^{+2.1}_{-1.6} \text{ MeV}$ al 68% CL, consistente con la predicción del SM.
   • El modificador del autoacoplamiento del bosón de Higgs se determina como $\kappa_\lambda = 1.3^{+3.1}_{-1.6}$, con un intervalo de 95% CL de $[-1.5, 6.5]$. Este resultado combina las mediciones de producción de un solo Higgs y de pares de Higgs, siendo estas últimas las que proporcionan la sensibilidad dominante.

5. Cinemática y EFT:

   • La cinemática de producción se mide en 44 regiones STXS, proporcionando la descripción más detallada de la producción del bosón de Higgs hasta la fecha.
   • En la interpretación SMEFT, se restringen 20 parámetros de medición (combinaciones lineales de operadores de la base de Warsaw). Los resultados son consistentes con el SM ($p$-valor = 81%). La escala de sensibilidad alcanza hasta $\sim 30 \text{ TeV}$ para los parámetros mejor restringidos. La inclusión de análisis mejorados de $H \to cc$ y $H \to bb$ permite la primera medición del operador $c_u H$ en los datos del LHC.

Significancia
Este artículo representa la culminación de los análisis del bosón de Higgs de la Run 2 por parte de ATLAS, ofreciendo el conjunto de mediciones más precisas y completas hasta la fecha. Al combinar diversos canales y tratar las incertididades sistemáticas con un enfoque unificado, el análisis logra mejoras significativas en la precisión (hasta un 35% en algunos casos) respecto a combinaciones parciales o individuales previas. Los resultados proporcionan pruebas rigurosas del Modelo Estándar, confirmando su consistencia a través de tasas de producción, relaciones de ramificación de decaimiento y distribuciones cinemáticas. Además, el trabajo establece restricciones robustas sobre la posible nueva física, incluyendo el autoacoplamiento del Higgs, los decaimientos invisibles y los operadores de dimensión-6 de la EFT, preparando el escenario para futuros estudios de precisión en la era del LHC de Alta Luminosidad. La determinación de la masa de carrera del quark $b$ y la mejora en las restricciones del acoplamiento del charm resaltan la capacidad única de las mediciones del bosón de Higgs para sondear parámetros fundamentales del Modelo Estándar.