Searches for resonant and nonresonant multi-Higgs production in ATLAS and CMS

Riepilogo Tecnico: Ricerche di produzione multi-Higgs risonante e non risonante in ATLAS e CMS

Problema e Motivazione
La misurazione delle auto-accoppiamenti del bosone di Higgs è un obiettivo fisico primario del programma del Large Hadron Collider (LHC), poiché questi accoppiamenti definiscono la forma del potenziale di Higgs e offrono sensibilità alla fisica oltre il Modello Standard (BSM). L'auto-accoppiamento trilineare viene sondato tramite la produzione di di-Higgs ($HH$), che ha una sezione d'urto circa $10^3$ volte più piccola della produzione di singolo Higgs. L'accoppiamento quartico è accessibile attraverso la produzione di tri-Higgs ($HHH$), con una sezione d'urto circa $5 \times 10^2$ volte inferiore rispetto alla produzione di di-Higgs. Inoltre, le ricerche risonanti per scalari pesanti che decadono in coppie di Higgs o in un Higgs e un nuovo scalare sono motivate da vari modelli BSM. Il documento presenta i risultati recenti delle collaborazioni ATLAS e CMS che coprono sia la produzione multi-Higgs risonante che non risonante attraverso diversi stati finali, utilizzando i dati del Run 2 dell'LHC ($\sqrt{s} = 13$ TeV) e del primo Run 3 ($\sqrt{s} = 13.6$ TeV).

Metodologia
Le analisi impiegano tecniche avanzate di apprendimento automatico e strategie ottimizzate per separare i rari processi di segnale dai background dominanti. Le principali metodologie includono:

• Ricerche di Di-Higgs ($HH$):

  • $HH \to b\bar{b}\gamma\gamma$: ATLAS ha utilizzato una combinazione di dati completi del Run 2 e parziali del Run 3 (308 fb$^{-1}$), impiegando Alberi di Decisione Potenziati (BDT) addestrati in regioni cinematiche definite dalla massa invariante $b\bar{b}\gamma\gamma$. Le regioni di segnale (SR) sono state definite in base agli output dei BDT, ed è stato eseguito un fit simultaneo della distribuzione $m_{\gamma\gamma}$ su 14 SR esclusive. CMS ha analizzato 62 fb$^{-1}$ di dati del Run 3 utilizzando due approcci: un fit 1D (solo $m_{\gamma\gamma}$) e un fit 2D ($m_{\gamma\gamma}$ e $m_{b\bar{b}}$). Entrambi hanno utilizzato metodi multivariati multiclasse per costruire SR "risolte" e "boosted".
  • $HH \to WWbb$: CMS ha analizzato 62 fb$^{-1}$ di dati del Run 3, categorizzando i segnali di fusione gluone-gluone (ggF) e fusione di bosoni vettori (VBF) in SR risolte e boosted basate sul numero di jet $b$-taggati. Sono state utilizzate reti neurali (NN) binarie e multiclasse per separare il segnale dai background ($t\bar{t}$, $t$, $DY$).
  • Produzione $t\bar{t}HH$: ATLAS ha eseguito la prima ricerca per questo processo utilizzando 196 fb$^{-1}$ (dati 2015–2023). Sono stati targettiti tre signature: leptone singolo ($1L$), same-sign/multileptone ($SSML$) e$b\bar{b}\gamma\gamma$. Le reti neurali Transformer sono state applicate alle categorie $1L$ e $SSML$, mentre i BDT sono stati utilizzati per la categoria $b\bar{b}\gamma\gamma$. L'estrazione del segnale è avvenuta tramite fit simultanei degli output delle NN e delle distribuzioni di $m_{\gamma\gamma}$.
  • Combinazioni: Analisi indipendenti di ATLAS e CMS sono state combinate per massimizzare la sensibilità, risultando nei limiti più stringenti ad oggi.

• Ricerche di Tri-Higgs ($HHH$):

  • CMS ha cercato $HHH \to 6b$ utilizzando 138 fb$^{-1}$ di dati del Run 2. Data la bassa efficienza di ricostruzione (solo il $\sim25\%$ degli eventi ha tre bosoni di Higgs ricostruiti), l'analisi ha utilizzato SPANet per classificare gli eventi in segnale ($HHH$) e background ($HH$, $t\bar{t}$, QCD). Un ulteriore livello di SPANet ha categorizzato gli eventi di segnale in SR basate sul numero di bosoni di Higgs risolti ($h$) o boosted ($bh$).

• Ricerche Risonanti:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Ha analizzato i dati del Run 2 e del Run 3 (140 + 59 fb$^{-1}$) utilizzando reti neurali parametrizzate (PNN) in regioni con uno o due jet $b$-taggati per coprire un ampio spazio di massa per gli scalari pesanti $X$ e $S$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ e $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Ha utilizzato dati del Run 2 (138 fb$^{-1}$) con BDT parametrizzati in SR con 0, 1 o 2 jet a grande raggio per sondare varie ipotesi di massa per $X$ e $Y$.

Risultati Chiave

• Di-Higgs ($HH$) non risonante:

  • ATLAS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): La forza del segnale è stata misurata come $\mu_{HH} = 0.9^{+1.3}_{-1.0}(\text{stat.})^{+0.6}_{-0.5}(\text{syst.})$, coerente con il Modello Standard (SM). La significatività osservata (attesa) è di 0.84 (1.01) $\sigma$. Limiti superiori sono stati stabiliti a $\mu_{HH} < 3.8$ (osservato) e $\mu_{HH} < 3.7$ (atteso). I vincoli sui modificatori di accoppiamento sono stati $\kappa_\lambda = 2.7^{+2.3}_{-3.0}$ e $\kappa_{2V} = 1.6^{+0.6}_{-1.9}$.
  • CMS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): Utilizzando l'approccio di fit 2D, i limiti superiori osservati (attesi) sono $\mu_{HH} < 11$ (7.3). Il modificatore $\kappa_\lambda$ è stato vincolato nell'intervallo $-6.1 < \kappa_\lambda < 12.8$.
  • CMS ($WWbb$): Il limite superiore osservato (atteso) sulla forza del segnale è 12.7 (18.6). I vincoli sono $\kappa_\lambda \in [-9.7, 15.8]$ e $\kappa_{2V} \in [-0.27, 2.32]$.
  • ATLAS ($t\bar{t}HH$): Il limite superiore osservato (atteso) sulla forza del segnale è $\mu_{HH} < 20$ (21). Il coefficiente di Wilson $c_{t\bar{t}HH}$ è stato vincolato a $[-3.9, 3.4]$.
  • Combinazione ATLAS/CMS: La combinazione di analisi indipendenti ha prodotto i limiti più stringenti ad oggi: $\mu_{HH}^{\text{osservato(atteso)}} < 2.5(1.7)$, con i vincoli più stretti su $\kappa_\lambda$ e $\kappa_{2V}$.

• Tri-Higgs ($HHH$) non risonante:

  • CMS ($6b$): L'analisi ha fornito il miglior limite ad oggi sulla produzione di tri-Higgs, con $\mu_{HHH}^{\text{osservato(atteso)}} < 588(572)$. Il modificatore dell'accoppiamento quartico è stato vincolato come $|\kappa_4| < 190$.

• Ricerche Risonanti:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Non sono stati riportati eccessi significativi; la massima significatività locale è stata dell'ordine di 2$\sigma$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ e $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Sono stati stabiliti limiti superiori sulle sezioni d'urto di produzione, risultati comparabili a quelli in stati finali più sensibili come $H \to \gamma\gamma$ e $H \to \tau\tau$.

Significatività e Prospettive
Il documento evidenzia che le collaborazioni ATLAS e CMS hanno raggiunto un livello di maturità nelle analisi del Run 2, consentendo combinazioni esaustive che migliorano significativamente la sensibilità. L'integrazione dei dati del Run 3 e l'applicazione di machine learning all'avanguardia (inclusi transformer NN, SPANet e PNN) hanno potenziato la capacità di sondare questi rari processi. Sebbene i risultati attuali siano coerenti con il Modello Standard, gli sforzi in corso stanno preparando la strada per le proiezioni dell'High-Luminosity LHC, che prevedono una significatività attesa superiore a 7$\sigma$ per l'osservazione della produzione di di-Higgs entro la fine del programma di corsa della Fase 2.