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

Résumé technique : Mesure de la désintégration du boson de Higgs en un système de dileptons de faible masse et un photon dans les collisions $pp$à$\sqrt{s}=13$ et 13,6 TeV avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
Le Modèle Standard (SM) prédit que le boson de Higgs peut se désintégrer en un photon et une paire de leptons ($H \to \ell\ell\gamma$, où $\ell = e, \mu$) principalement via des processus induits par des boucles. Ce canal de désintégration, spécifiquement dans la région de faible masse invariante du système dileptonique ($m_{\ell\ell} < 30$ GeV), est dominé par le processus $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$. Bien que le rapport de branchement soit d'environ 5 % du taux de $H \to \gamma\gamma$, l'observation expérimentale est difficile en raison de la faible masse de la paire de dileptons et de l'impulsion transverse élevée du système, ce qui peut provoquer la fusion des gerbes électromagnétiques des électrons dans le calorimètre.

Cette analyse vise à mesurer la force du signal du processus $H \to \ell\ell\gamma$ dans la région $m_{\ell\ell} < 30$ GeV. Cette mesure complète les recherches précédentes pour $H \to Z\gamma$ (où $m_{\ell\ell} > 30$ GeV) et constitue une sonde unique de l'interaction Higgs-photon induite par des boucles, indépendamment de la section efficace de production du Higgs. De plus, la virtuosité non nulle du photon intermédiaire ($\gamma^*$) offre une sensibilité aux effets potentiels de la nouvelle physique et permet l'étude des propriétés CP du boson de Higgs via l'asymétrie de charge-parité (forward-backward asymmetry).

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC).

• Échantillons de données : Le jeu de données principal correspond à une luminosité intégrée de 164 fb$^{-1}$ collectée à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV durant 2022–2024 (Run 3). Ces résultats sont combinés avec une analyse précédente utilisant 139 fb$^{-1}$ à $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018).
• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant un photon et une paire de leptons de même saveur et de charges opposées ($e^+e^-$ ou $\mu^+\mu^-$). La masse invariante des dileptons est contrainte à $m_{\ell\ell} < 30$ GeV, et la masse invariante à trois corps $m_{\ell\ell\gamma}$ doit se situer dans la fenêtre de masse du Higgs (110–160 GeV).
• Reconstruction des objets :
  • Dielectrons fusionnés : Un défi significatif dans le canal $ee\gamma$ est le chevauchement des gerbes d'électrons. Un algorithme dédié de l'Arbre de Décision Boosté (BDT), entraîné avec LightGBM, a été développé pour identifier les candidats « dielectron fusionné » où deux traces sont associées à un seul amas calorimétrique. Cet algorithme améliore l'efficacité du signal d'environ 5 % par rapport aux anciennes méthodes basées sur des coupures, tout en maintenant le rejet du bruit de fond.
  • Déclencheurs (Triggers) : Une combinaison de déclencheurs de lepton unique, de dilepton, de photon unique, de diphoton et de lepton+photon a été employée, avec des déclencheurs spécifiques à bas seuil complétés par des déclencheurs à $p_T$ plus élevé pour maintenir l'efficacité à haute luminosité instantanée.
• Catégorisation : Les événements sélectionnés sont divisés en neuf catégories mutuellement exclusives basées sur la saveur des leptons ($\mu\mu$, $ee$ résolu, $ee$ fusionné) et la topologie de l'événement :
  1. VBF : Événements avec deux jets de direction avant satisfaisant des critères cinématiques spécifiques ($m_{jj} > 500$ GeV, $|\Delta\eta_{jj}| > 2,7$).
  2. Haute $p_{Tt}$ : Événements ne satisfaisant pas les critères VBF, mais présentant une impulsion transverse élevée projetée sur l'axe de poussée (thrust axis) de $\ell\ell\gamma$ ($p_{Tt} > 100$ GeV).
  3. Basse $p_{Tt}$ : Tous les événements restants.
• Modélisation du signal et du bruit de fond :
  • Signal : Modélisé à l'aide d'une fonction Crystal Ball double (DSCB) dérivée de simulations de Monte Carlo (MC) de $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$.
  • Bruit de fond : Le bruit de fond dominant est la production non résonante $\ell\ell\gamma$ irréductible. Sa forme est modélisée à l'aide de fonctions paramétriques (exponentielles, polynômes ou lois de puissance) sélectionnées via une étude de signal spécieux. Les bruits de fond résonants provenant de $H \to \gamma\gamma$ (où un photon se convertit) et des leptons/photons de fausse identification sont estimés à l'aide de techniques basées sur les données et de modèles MC.
• Analyse statistique : Un ajustement (fit) simultané par maximum de vraisemblance non binned est effectué sur les distributions $m_{\ell\ell\gamma}$ à travers les neuf catégories. Les incertitudes systématiques (expérimentales et théoriques) sont incorporées comme paramètres de nuisance.

Contributions clés

1. Mesure Run-3 : Ce papier présente la première mesure de $H \to \ell\ell\gamma$ utilisant le jeu de données complet de 164 fb$^{-1}$ à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
2. Identification des dielectrons fusionnés : Le développement et l'application d'un algorithme d'identification par BDT pour les candidats dielectrons fusionnés améliorent considérablement la sensibilité du canal $ee\gamma$, augmentant la signification attendue de 5 % par rapport aux anciennes approches par coupures.
3. Analyse combinée : Les résultats sont combinés avec l'analyse Run-2, fournissant la mesure la plus précise de ce mode de désintégration à ce jour, avec une puissance statistique améliorée et des incertitudes systématiques réduites grâce à la combinaison de jeux de données ayant des énergies de centre de masse et des conditions de détecteur différentes.

Résultats

• Run-3 uniquement (13,6 TeV) :
  • Le paramètre de force du signal observé ($\mu$), défini comme le rapport entre le rendement observé et l'attente du SM, est mesuré à $\mu = 0,64^{+0,44}_{-0,39}$.
  • La force du signal attendue est $\mu = 1,00^{+0,47}_{-0,41}$.
  • La signification observée (attendue) par rapport à l'hypothèse de bruit de fond seul est de 1,7$\sigma$ (2,5$\sigma$).
  • La section efficace fois le rapport de branchement mesurée est de $4,1^{+2,8}_{-2,5}$ fb.
• Combinaison Run-2 et Run-3 :
  • La force du signal observée combinée est $\mu = 1,03^{+0,35}_{-0,32}$.
  • La force du signal attendue combinée est $\mu = 1,00^{+0,34}_{-0,32}$.
  • La signification observée (attendue) combinée est de 3,4$\sigma$ (3,3$\sigma$).
  • Le résultat est cohérent avec la prédiction du Modèle Standard (p-value de 0,41 pour l'ajustement Run-3).

Signification
Le papier rapporte un résultat Run-2 avec une signification de 3,2$\sigma$ comme « évidence » du processus $H \to \ell\ell\gamma$. La nouvelle mesure Run-3 donne une signification observée de 1,7$\sigma$, tandis que la combinaison des données Run-2 et Run-3 donne une signification observée de 3,4$\sigma$. Ce résultat combiné est cohérent avec la prédiction du Modèle Standard et représente la mesure la plus précise de ce mode de désintégration à ce jour. Cette mesure valide la prédiction du SM pour ce canal de désintégration rare induit par des boucles et démontre la capacité du détecteur ATLAS à reconstruire des états finaux complexes impliquant des gerbes électromagnétiques fusionnées. De plus, elle offre un test complémentaire de la structure de boucle de l'interaction Higgs-photon et établit une base pour les futures mesures de précision et les recherches de nouvelle physique dans le spectre de faible masse des dileptons.