Measurements of the Higgs boson production, fiducial and differential cross-sections in the four lepton decay channel using 164 fb$^{-1}$ of data collected at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Misurazioni della produzione del bosone di Higgs e delle sezioni d'urto nel canale $H \to ZZ^* \to 4\ell$

Problema e Motivazione
Questo articolo presenta una misurazione completa delle proprietà di produzione del bosone di Higgs utilizzando i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider (LHC). L'analisi utilizza una luminosità integrata di 164 fb$^{-1}$ registrata tra il 2022 e il 2024 a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 13,6$ TeV. Lo studio si concentra sul canale di decadimento $H \to ZZ^* \to 4\ell$ ($\ell = e, \mu$), che offre una firma sperimentale pulita con eccellenti rapporti segnale-fondo e una ricostruzione cinematica completa. Sebbene le precedenti misurazioni a $\sqrt{s}=13$ TeV (Run 2) abbiano stabilito le proprietà del bosone di Higgs, questo lavoro mira a fornire le misurazioni ATLAS più precise a 13,6 TeV ad oggi, testando il Modello Standard (SM) con un potere statistico migliorato e tecniche di analisi raffinate.

Metodologia
L'analisi impiega due framework complementari per misurare le sezioni d'urto:

1. Sezioni d'urto fiduciali e differenziali:

   • Selezione: Gli eventi sono selezionati sulla base di quattro leptoni carichi ricostruiti (elettroni e muoni) che formano due coppie con la stessa carica e carica opposta. I requisiti cinematici includono soglie di momento trasverso dei leptoni, finestre di massa invariante attorno alla massa del bosone $Z$ e compatibilità del vertice.
   • Stima del Fondo: Il fondo dominante, la produzione continua di $ZZ^*$, è vincolato direttamente dai dati utilizzando regioni di sideband ($105 < m_{4\ell} < 115$ GeV e $130 < m_{4\ell} < 160$ GeV). I fondi con leptoni non prompt (da $Z$+jets, $t\bar{t}$, $WZ$) sono stimati utilizzando un metodo basato su fattori di falsificazione (fake-factor) derivato dai dati.
   • Unfolding: Le sezioni d'urto inclusive e differenziali per otto osservabili ($p_T^{4\ell}$, $|y^{4\ell}|$, $m_{12}$, $m_{34}$, $N_{jets}$, $|\Delta\phi_{jj}|$, $\phi$ e una distribuzione doppio-differenziale $p_T^{4\ell}$ vs. $m_{34}$) vengono estratte tramite fit di massima verosimiglianza binari sullo spettro $m_{4\ell}$ ricostruito. Gli effetti del rivelatore sono corretti utilizzando una procedura di unfolding matriciale per ottenere risultati a livello di particella all'interno di uno spazio delle fasi fiduciale ben definito.

2. Sezioni d'urto per modo di produzione (STXS):

   • Categorizzazione: Gli eventi sono assegnati a categorie mutuamente esclusive basate sulla molteplicità di jet ($N_{jets}$), sul momento trasverso dell'Higgs ($p_T^H$) e sulla massa invariante dei dijet ($m_{jj}$).
   • Analisi Multivariata: Per migliorare la separazione tra i modi di produzione (fusione gluone-gluone [ggF], fusione di bosoni vettori [VBF], produzione associata a bosoni vettori [$VH$] e produzione associata a top [$t\bar{t}H$]), vengono impiegate reti neurali (NN) basate su un'architettura Set Transformer. Queste NN utilizzano variabili globali dell'evento e set di oggetti ricostruiti come input.
   • Framework: I risultati sono interpretati all'interno del framework Simplified Template Cross-Section (STXS), specificamente negli schemi "Stage-0" (modi di produzione) e "Reduced Stage-1.2" (bin cinematici).

Contributi Chiave e Innovazioni

• Dataset: Questa analisi utilizza il dataset più grande per questo canale a 13,6 TeV (164 fb$^{-1}$), migliorando significativamente i precedenti risultati preliminari.
• Machine Learning: L'introduzione di un algoritmo basato su transformer (GN2) per l'identificazione dei b-jet migliora sostanzialmente il rifiuto del fondo per il modo di produzione $t\bar{t}H$. Inoltre, sono utilizzate reti neurali basate su Set Transformer per costruire discriminanti per la separazione dei modi di produzione.
• Nuove Osservabili: Per la prima volta in questo canale, viene misurata una distribuzione doppio-differenziale del momento trasverso del sistema a quattro leptoni ($p_T^{4\ell}$) in funzione della massa invariante della coppia dileptonica secondaria ($m_{34}$).
• Angolo Azimutale: L'angolo azimutale tra i due piani di decadimento dei bosoni $Z$ ($\phi$) è reinterpretato nel contesto della Teoria dei Campi Efficace del Modello Standard (SMEFT) per la prima volta in questo canale per sondare gli effetti di interferenza.
• Combinazione Statistica: Viene eseguita una combinazione statistica dei dati di Run 2 e Run 3 per le interpretazioni dei modificatori di accoppiamento, migliorando significativamente la precisione dei vincoli.

Risultati

• Sezioni d'urto inclusive: La sezione d'urto fiduciale inclusiva è misurata come $\sigma_{\text{fid}} = 3,65^{+0,35}_{-0,33}$ fb, coerente con la previsione SM di $3,68 \pm 0,17$ fb. La sezione d'urto totale è misurata come $\sigma_{\text{total}} = 59,3 \pm 5,7$ pb, coerente con il valore SM di $59,9 \pm 3,0$ pb.
• Forza del Segnale: La forza del segnale del bosone di Higgs complessiva, definita come la sezione d'urto misurata normalizzata alla previsione SM, è $\mu = 0,99 \pm 0,13$.
• Misurazioni Differenziali: Le sezioni d'urto differenziali per otto osservabili sono misurate e risultano ampiamente in accordo con le previsioni SM. La probabilità di compatibilità varia dal 5% al 100% tra le diverse osservabili, con la distribuzione $m_{12}$ che mostra la minore compatibilità a causa di una fluttuazione nel primo bin.
• Modi di Produzione: Sono estratte le sezioni d'urto per ggF, VBF, $VH$e$t\bar{t}H$. I risultati sono coerenti con le aspettative SM.
• Interpretazioni:
  • Framework $\kappa$: I modificatori di accoppiamento per i bosoni vettori ($\kappa_V$) e i fermioni ($\kappa_f$) sono vincolati. I risultati combinati di Run 2 e Run 3 migliorano la precisione su $\kappa_V$ di circa il 40% e su $\kappa_f$ del 25% rispetto alla sola Run 2.
  • SMEFT: Sono posti vincoli sugli operatori di dimensione sei CP-even e CP-odd. I risultati sono coerenti con le aspettative SM.
  • Auto-accoppiamento: Limiti sul modificatore dell'auto-accoppiamento trilineare dell'Higgs ($\kappa_\lambda$) sono derivati utilizzando sia le misure differenziali $p_T^{4\ell}$ che STXS, fornendo intervalli al 95% CL di $[-8,8, 19,9]$ e $[-9,0, 20,9]$ rispettivamente, coerenti con lo SM.

Significatività
Il documento afferma che questi risultati costituiscono le misurazioni ATLAS più complete della produzione del bosone di Higgs nel canale $H \to ZZ^* \to 4\ell$ a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV. La precisione raggiunta è comparabile a quella ottenuta utilizzando l'intero dataset di Run 2 a 13 TeV e rappresenta un miglioramento di un fattore due rispetto ai primi risultati ATLAS a 13,6 TeV in questo canale. Tutte le misurazioni sono coerenti con le aspettative del Modello Standard, fornendo vincoli robusti su accoppiamenti anomali e operatori di teoria di campo efficace. L'analisi dimostra l'efficacia di tecniche avanzate di machine learning e di nuove osservabili cinematiche nel potenziare la sensibilità delle misurazioni delle proprietà dell'Higgs.