Measurement of the Higgs boson total decay width using the H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$ decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizzando 138 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone a 13 TeV, l'esperimento CMS ha misurato la larghezza di decadimento totale del bosone di Higgs pari a 3,9$^{+2,7}_{-2,2}$ MeV tramite il canale H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$, ottenendo un miglioramento triplo dell'incertezza rispetto ai risultati precedenti e confermando al contempo la coerenza con il Modello Standard.

L'essenziale

Il quadro generale: Pesare un fantasma

Immaginate il bosone di Higgs come un fantasma molto timido e incredibilmente veloce che appare per un istante in un gigantesco collisore di particelle (il Large Hadron Collider, o LHC) e poi svanisce. Gli scienziati vogliono sapere esattamente quanto è "pesante" questo fantasma in termini di energia, che i fisici chiamano larghezza di decadimento.

Pensate alla larghezza di decadimento come al volume di una campana.

• Una campana che suona a lungo (una larghezza di decadimento ampia) è forte e facile da sentire.
• Una campana che suona per una frazione infinitesimale di secondo (una larghezza di decadimento stretta) è un "ping" silenzioso molto difficile da cogliere.

Il Modello Standard (il manuale di regole della fisica) prevede che questo fantasma di Higgs debba essere un "ping" molto silenzioso – così silenzioso che i nostri rivelatori sono troppo sfocati per sentirlo direttamente. È come cercare di misurare il peso esatto di una piuma usando una bilancia da bagno; la bilancia non è abbastanza sensibile.

Il trucco: Ascoltare l'eco

Poiché non possono pesare il fantasma direttamente, il team CMS al CERN ha usato un trucco intelligente. Hanno esaminato due modi diversi in cui il fantasma appare:

1. Il fantasma "On-Shell" (L'evento principale): Questo è il fantasma che appare alla sua energia normale e attesa (125 GeV). È come se il fantasma si presentasse a una festa esattamente quando invitato.
2. Il fantasma "Off-Shell" (L'ospite raro): Questo è il fantasma che appare a energie molto più elevate (oltre 160 GeV). È come se il fantasma irrompesse a una festa a un livello energetico molto più alto. Questo accade molto raramente.

L'analogia:
Immaginate di cercare di capire quanto velocemente gira un motore di un'auto, ma non potete guardare il motore. Invece, osservate quanto carburante consuma l'auto a bassa velocità (on-shell) rispetto a quanto ne consuma quando sta facendo girare il motore al limite (off-shell).

Il documento spiega che il rapporto tra questi due "consumi di carburante" rivela la velocità segreta del motore (la larghezza di decadimento). Se il fantasma è molto "stretto" (silenzioso), la versione ad alta energia "off-shell" è molto più difficile da produrre rispetto a quella normale. Misurando quanto spesso appare la versione ad alta energia rispetto a quella normale, possono calcolare la larghezza.

L'esperimento: Il grande filtro

Gli scienziati hanno esaminato 138 "femtobarn" di dati. Per fare un paragone, è come osservare 138 trilioni di collisioni di protoni avvenute nell'LHC tra il 2016 e il 2018.

Cercavano un segnale specifico: un bosone di Higgs che si trasforma in due particelle W, che a loro volta si trasformano in un elettrone e un muone (e alcuni neutrini invisibili).

• La sfida: Il rumore di fondo è enorme. È come cercare di sentire un sussurro in uno stadio pieno di tifosi che acclamano. I "tifosi" sono altre collisioni di particelle che sembrano simili ma non sono l'Higgs.
• La soluzione: Hanno utilizzato una Rete Neurale Profonda (DNN). Pensate a questo come a un arbitro AI super-intelligente. Ha esaminato ogni singola collisione chiedendosi: "Questa sembra il fantasma di Higgs, o è solo rumore di fondo?". Ha classificato gli eventi in diverse categorie in base a quanti altre particelle (getti) stavano volando intorno.

I risultati: Una corrispondenza perfetta

Dopo aver setacciato il rumore e utilizzato il loro arbitro AI, il team ha trovato:

• Il segnale Off-Shell: Hanno misurato quanto spesso appariva il fantasma ad alta energia. Il risultato è stato 1,2 (con un certo margine di incertezza). Nel manuale di regole, un valore di 1,0 è perfetto. Quindi, 1,2 è molto vicino a quanto previsto.
• La larghezza totale: Utilizzando il rapporto tra il fantasma ad alta energia e quello normale, hanno calcolato la larghezza totale di decadimento.
  • Il loro risultato: 3,9 MeV (più o meno un po').
  • La previsione: 4,1 MeV.

Il verdetto: La misurazione è una corrispondenza perfetta con il Modello Standard. Il "fantasma" è esattamente così silenzioso ed elusivo come diceva il manuale di regole che sarebbe stato.

Perché questo è importante

Questo non è solo un documento del tipo "l'abbiamo trovato"; è un documento del tipo "l'abbiamo misurato con precisione".

• Miglioramento: Questo risultato è 3 volte più preciso del precedente tentativo dello stesso team utilizzando dati più vecchi.
• Nuovo canale: Questa è la prima volta che il team CMS ha misurato questa specifica larghezza utilizzando il canale H → WW (Higgs in particelle W) all'alta energia di 13 TeV. In precedenza, dovevano utilizzare un canale diverso (H → ZZ).
• Coerenza: Il fatto che la misurazione corrisponda così bene alla previsione significa che non ci sono "strane" nuove fisiche che si nascondono nell'ombra in questo momento. Il bosone di Higgs si comporta esattamente come predice il Modello Standard.

Riassunto

Il team CMS ha agito come detective che cercano di pesare un fantasma. Non potendolo pesare direttamente, hanno confrontato quanto spesso il fantasma appariva in uno stato "normale" rispetto a uno stato "ad alta energia". Utilizzando una massa enorme di dati e un'intelligenza artificiale intelligente per filtrare il rumore, hanno calcolato la "larghezza" del fantasma essere 3,9 MeV. Questo corrisponde quasi perfettamente alla previsione teorica di 4,1 MeV, confermando che la nostra attuale comprensione dei mattoni costitutivi dell'universo regge ancora forte.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Misura della larghezza di decadimento totale del bosone di Higgs utilizzando il canale di decadimento H →WW →eνµν

Problema e Motivazione
La larghezza di decadimento totale del bosone di Higgs ($\Gamma_H$) è un parametro fondamentale del Modello Standard (SM). Per un bosone di Higgs del SM con una massa di 125 GeV, la previsione teorica è di 4,1 MeV. Tuttavia, questo valore è significativamente inferiore alla risoluzione di massa invariante dei rivelatori del Large Hadron Collider (LHC), rendendo di fatto impossibile la misura diretta della larghezza di decadimento. Di conseguenza, $\Gamma_H$ deve essere vincolato indirettamente confrontando i tassi di produzione del bosone di Higgs nei regimi "on-shell" (vicino alla massa di risonanza) e "off-shell" (ad alte masse invarianti).

Le precedenti misurazioni della collaborazione CMS nel canale $H \to ZZ$ e nel canale $H \to WW \to 2\ell 2\nu$ (utilizzando dati a 7 e 8 TeV) hanno fornito vincoli, ma con precisione limitata. Questo lavoro affronta la necessità di una determinazione più precisa di $\Gamma_H$ utilizzando l'intero dataset della Run 2 (2016–2018) a $\sqrt{s} = 13$ TeV, prendendo di mira specificamente il canale di decadimento $H \to WW \to e\nu\mu\nu$. Lo studio mira a migliorare il precedente limite CMS in questo canale ($\Gamma_H < 26$ MeV) sfruttando l'aumentata energia nel centro di massa, una maggiore luminosità integrata e una modellazione teorica e sperimentale raffinata.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$ raccolti dall'esperimento CMS. La misura si basa sul rapporto tra le sezioni d'urto di produzione off-shell e on-shell, che è proporzionale alla larghezza di decadimento totale ($\Gamma_H \propto \mu_{\text{off-shell}} / \mu_{\text{on-shell}}$).

• Selezione e Ricostruzione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo una coppia elettrone-muone di carica opposta ($e\mu$) per sopprimere i fondi di Drell-Yan. I requisiti cinematici includono una quantità di moto trasversa mancante ($p^{\text{miss}}_T > 20$ GeV) per tenere conto dei neutrini, una massa invariante dileptonica $m_{e\mu} > 20$ GeV e una massa trasversa ricostruita del bosone di Higgs $m^H_T > 60$ GeV. I jet sono raggruppati utilizzando l'algoritmo anti-$k_T$ e gli eventi con jet etichettati come contenenti quark $b$ (b-tagged) sono scartati per ridurre i fondi di quark top.
• Categorizzazione: Gli eventi sono categorizzati in base al numero di jet (0, 1 e $\ge 2$) per distinguere tra i modi di produzione fusione gluone-gluone (ggF) e fusione di bosoni vettoriali (VBF).
• Discriminazione tramite Machine Learning: Una rete neurale profonda multiclasse (DNN) è impiegata per separare il segnale dal fondo. La DNN è addestrata per classificare gli eventi in quattro classi per le categorie a 0 e 1 jet (ggF off-shell, ggF on-shell, quark top, WW non risonante) e in sei classi per la categoria a $\ge 2$ jet (aggiungendo VBF off-shell/on-shell). Le variabili di input includono le proprietà cinematiche del sistema dileptonico, del sistema di dijet, della quantità di moto trasversa mancente e una massa invariante proxy del sistema WW.
• Modellazione del Segnale e dei Fondi:
  • Segnale: I contributi off-shell sono definiti da un requisito a livello di generatore di $m_{WW} > 160$ GeV. Le simulazioni per ggF e VBF utilizzano POWHEG e JHUGEN (per VBF) o MCFM (per ggF), incorporando schemi di polo complesso ed effetti di interferenza tra il segnale e i fondi continui.
  • Fondi: I principali fondi includono la produzione non risonante di WW, il quark top ($t\bar{t}$) e i processi di Drell-Yan. Le normalizzazioni per WW non risonante e $t\bar{t}$ sono vincolate simultaneamente nelle regioni di segnale (SR) e nelle regioni di controllo (CR) utilizzando i dati. I fondi di leptoni non prompt sono stimati utilizzando un approccio "matrix method" basato sui dati.
• Analisi Statistica: Un fit di verosimiglianza profilata viene eseguito utilizzando il framework COMBINE. La funzione di verosimiglianza incorpora le distribuzioni dell'output della DNN per le regioni di segnale off-shell e le regioni di controllo on-shell. Le incertezze sistemiche (sperimentali e teoriche) sono trattate come parametri di disturbo con vincoli gaussiani.

Contributi Chiave

• Prima Misura a 13 TeV in $H \to WW$: Questo lavoro presenta la prima determinazione CMS della larghezza di decadimento del bosone di Higgs utilizzando il canale $H \to WW \to e\nu\mu\nu$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Precisione Migliorata: L'analisi raggiunge un miglioramento di un fattore 3 nell'incertezza rispetto al precedente risultato CMS in questo specifico canale di decadimento (derivato da dati a 7 e 8 TeV).
• Modellazione Avanzata: Lo studio implementa una modellazione sofisticata dell'interferenza tra il segnale off-shell di Higgs e il fondo continuo WW, che è critica per l'estrazione accurata dell'intensità del segnale nella coda ad alta massa.
• Categorizzazione Basata su DNN: L'applicazione di reti neurali profonde permette una discriminazione efficiente tra segnale e fondo attraverso diverse molteplicità di jet, ottimizzando la sensibilità sia nei modi di produzione ggF che VBF.

Risultati

• Intensità del Segnale Off-Shell: L'intensità del segnale off-shell è misurata come $\mu_{\text{off-shell}} = 1,2^{+0,8}_{-0,7}$. Questo valore è coerente con la previsione del SM di unità.
• Larghezza di Decadimento Totale: La larghezza di decadimento totale del bosone di Higgs è determinata essere $\Gamma_H = 3,9^{+2,7}_{-2,2}$ MeV.
• Coerenza con il SM: La larghezza misurata è in accordo con la previsione del Modello Standard di 4,1 MeV.
• Limiti di Esclusione: Lo scenario di nessuna produzione di bosone di Higgs off-shell è escluso a 3,4 deviazioni standard (con un'esclusione attesa di 1,3 deviazioni standard). Il limite superiore al livello di confidenza del 95% sulla larghezza è $\Gamma_H < 22,00$ MeV.
• Scomposizione dell'Incertezza: L'incertezza totale nel rapporto $r = \mu_{\text{off-shell}}/\mu_{\text{on-shell}}$ è dominata dalle incertezze statistiche (56%), seguite dalle incertezze teoriche (27%).

Significato
Il lavoro afferma che questo risultato rappresenta un avanzamento significativo nel vincolare le proprietà del bosone di Higgs. Complementando le precedenti misurazioni nel canale $H \to ZZ$, questa analisi fornisce un vincolo robusto e indipendente su $\Gamma_H$ utilizzando il canale WW. Il risultato conferma la previsione del SM entro le incertezze e dimostra che le deviazioni dal SM, che potrebbero indicare accoppiamenti anomali o nuova fisica, sono attualmente vincolate entro l'intervallo misurato. Il miglioramento nella precisione rispetto ai precedenti limiti in questo canale sottolinea l'efficacia dell'utilizzo dell'intero dataset della Run 2 e di tecniche di analisi avanzate come l'apprendimento profondo e la modellazione precisa dell'interferenza.