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

Résumé technique : Étude de la production de ZZ et ZH dans l'état final $bb\tau\tau$ et recherche de résonances de haute masse

Problématique et motivation
La découverte du boson de Higgs ($H$) a validé le Modèle Standard (MS), mais des paramètres critiques tels que l'auto-couplage du Higgs ($\lambda$) restent non mesurés. La mesure de la production de paires de bosons de Higgs ($HH$) est la principale voie pour contraindre $\lambda$. Le canal de désintégration $HH \to bb\tau\tau$ offre une sensibilité élevée mais fait face à des défis expérimentaux importants, notamment des fonds importants et une reconstruction complexe. Pour affiner les stratégies d'analyse pour le Grand Collisionneur de Hadrons à Haute Luminosité (HL-LHC) et améliorer la robustesse des recherches $HH \to bb\tau\tau$, il est nécessaire d'étudier des processus du MS expérimentalement bien établis qui partagent des caractéristiques topologiques similaires. La production associée d'un boson $Z$ et d'un boson $Z$ ($ZZ$) ou d'un boson $Z$ et d'un boson de Higgs ($ZH$) dans l'état final $bb\tau\tau$ sert de référence idéale. Ces processus partagent les défis expérimentaux de la recherche $HH$ mais possèdent des sections efficaces nettement plus grandes (environ 64 fois plus grande pour $ZZ$ et 2,2 fois plus grande pour $ZH$). De plus, ces canaux offrent une opportunité unique de sonder la physique au-delà du Modèle Standard (BSM), spécifiquement en recherchant des résonances lourdes de spin-0 ($X$) se désintégrant en $ZZ$ et des résonances de spin-1 ($Z'$) se désintégrant en $ZH$, qui pourraient provenir d'extensions telles que les modèles à singulet, les modèles à deux doublets de Higgs ou les dimensions supplémentaires de type Warped.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). L'étude cible trois états finaux spécifiques :

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

Reconstruction et sélection des événements :

• Modes de désintégration des taus : L'analyse considère trois modes de désintégration $\tau\tau$ : $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$, et $\tau_h\tau_h$, couvrant 87,6 % des désintégrations $\tau\tau$ possibles.
• Régimes cinématiques : Les événements sont classés en régimes « résolus » (resolved) et « boostés » (boosted) basés sur le boost de Lorentz des systèmes $\tau\tau$ et $bb$.
  • Résolu : Utilise des jets AK4 ($R=0,4$) et des critères d'isolement standards.
  • Boosté : Utilise des jets AK8 ($R=0,8$) et des algorithmes de reconstruction dédiés aux objets collimatés.
• Identification des objets :
  • Jets : Les jets AK4 sont identifiés via l'algorithme DEEPJET (point de fonctionnement medium). Les jets AK8 sont identifiés via l'algorithme PARTICLENET (point de fonctionnement de faible pureté) pour marquer les désintégrations $Z/H \to bb$.
  • Taus : Les candidats taus hadroniques sont reconstruits avec l'algorithme HPS et identifiés via les algorithmes DEEPTAU (résolu) ou BOOSTEDDEEPTAU (boosté).
  • Leptons : Les électrons et les muons sont reconstruits avec les critères CMS standards, avec des ajustements d'isolement spécifiques pour le régime boosté.
• Catégorisation : Les événements sont classés en 12 catégories mutuellement exclusives basées sur le canal de désintégration $\tau\tau$ (3) et le régime de reconstruction ($bb$ résolu 1b, résolu 2b, $bb$-résolu boosté $\tau\tau$, $bb$-boosté boosté $\tau\tau$).
• Reconstruction de masse : La masse invariante du système $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) est reconstruite via l'algorithme FASTMTT, qui utilise l'approximation colinéaire et l'impulsion transverse manquante ($p_T^{miss}$). La masse $bb$($m_{bb}$) est dérivée de la masse invariante des dijets (résolu) ou de la masse après soft-drop grooming (boosté). Une sélection elliptique dans le plan $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$ est appliquée pour sélectionner les candidats au signal.

Modélisation du fond et extraction du signal :

• Fonds : Les fonds dominants sont la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) et les processus Drell-Yan ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$). Le fond multijet QCD est estimé par des méthodes ABCD basées sur les données. Les autres contributions (top simple, $W$+jets, dibosons) sont modélées par des simulations Monte Carlo (MC).
• Extraction du signal : Des réseaux de neurones profonds (DNN) sont entraînés pour discriminer le signal du fond.
  • Non-résonant : Des DNN dédiés sont entraînés pour chaque processus du MS ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$).
  • Résonant : Un réseau de neurones paramétré est entraîné pour les recherches résonantes ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$), utilisant la masse de la résonance comme paramètre d'entrée pour permettre des limites indépendantes du modèle sur une plage de masse.
• Analyse statistique : Un ajustement de maximum de vraisemblance binné est effectué sur les distributions de sortie des DNN à travers toutes les catégories et tous les canaux. Les incertitudes systématiques (luminosité, échelles d'énergie/identification d'objets, sections efficaces théoriques, PDF et statistiques MC) sont traitées comme des paramètres de nuisance.

Contributions clés et résultats

• Premières mesures : Ce travail présente les premières mesures des processus $ZZ \to bb\tau\tau$ et $ZH \to bb\tau\tau$.
• Mesures du MS :
  • La force du signal ($\mu$) pour $ZZ \to bb\tau\tau$ est mesurée à $0,10^{+0,70}_{-0,68}(\text{stat})^{+0,83}_{-0,84}(\text{syst})$.
  • La force du signal pour $ZH \to bb\tau\tau$ est mesurée à $-1,4^{+1,2}_{-1,1}(\text{stat}) \pm 1,0(\text{syst})$.
  • Les deux résultats sont cohérents avec les prédictions du Modèle Standard.
  • Des limites supérieures au niveau de confiance (CL) de 95 % sont fixées sur les sections efficaces de production, allant de 300 pb à 24 fb pour $ZZ$ et de 0,4 pb à 12 fb pour $ZH$.
• Recherches de résonances :
  • Des recherches sont menées pour les résonances lourdes de spin-0 ($X \to ZZ$) dans la plage de masse 200 GeV – 5 TeV et de spin-1 ($Z' \to ZH$) dans la plage 500 GeV – 6 TeV.
  • Aucune déviation significative par rapport aux attentes du MS n'est observée.
  • Des limites supérieures sont fixées sur $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ et $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ sur les plages de masse.
• Projections de sensibilité : Les projections pour le HL-LHC suggèrent que l'évidence pour $ZZ \to bb\tau\tau$ pourrait être atteinte avec $\sim 1$ ab$^{-1}$ et l'observation avec $>2,5$ ab$^{-1}$, à condition que les incertitudes systématiques soient réduites. Le processus $ZH \to bb\tau\tau$ reste plus difficile, nécessitant probablement des améliorations substantielles des méthodes d'analyse et de la modélisation du fond pour l'observation.

Signification
L'article établit les processus $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ comme des « chandelles standards » viables pour l'état final $bb\tau\tau$. En démontrant que les techniques d'analyse développées pour ces processus bien connus peuvent être appliquées avec succès, l'étude valide les stratégies requises pour la future observation de la production non-résonante de paires de bosons de Higgs ($HH \to bb\tau\tau$). Les résultats fournissent les premières contraintes expérimentales sur la production $ZZ$ et $ZH$ dans cet état final spécifique et fixent les premières limites sur les résonances lourdes se désintégrant dans ces états dans le canal $bb\tau\tau$, sondant les augmentations potentielles des couplages aux fermions de la troisième génération. L'analyse confirme que, bien que le processus $ZZ \to bb\tau\tau$ offre un chemin plus accessible à l'observation que $HH \to bb\tau\tau$ en raison de sections efficaces plus grandes, il reste soumis à des défis de fond importants qui doivent être adressés pour exploiter pleinement l'ensemble de données du HL-LHC.