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

Sintesi Tecnica: Studio della produzione di ZZ e ZH nello stato finale $bb\tau\tau$ e ricerca di risonanze ad alta massa

Problema e Motivazione
La scoperta del bosone di Higgs ($H$) ha validato il Modello Standard (SM), tuttavia parametri critici come l'auto-accoppiamento dell'Higgs ($\lambda$) rimangono non misurati. La misurazione della produzione di coppie di bosoni di Higgs ($HH$) è la via principale per vincolare $\lambda$. Il canale di decadimento $HH \to bb\tau\tau$ offre un'elevata sensibilità ma affronta sfide sperimentali significative, inclusi i grandi background e una ricostruzione complessa. Per perfezionare le strategie di analisi per l'HL-LHC (High-Luminosity LHC) e migliorare la robustezza delle ricerche $HH \to bb\tau\tau$, è necessario studiare processi dello SM sperimentalmente ben stabiliti che condividono caratteristiche topologiche simili. La produzione associata di un bosone $Z$ e un bosone $Z$ ($ZZ$) o un bosone $Z$ e un bosone di Higgs ($ZH$) nello stato finale $bb\tau\tau$ funge da benchmark ideale. Questi processi condividono le sfide sperimentali della ricerca $HH$, ma possiedono sezioni d'urto significativamente più grandi (circa 64 volte più grandi per $ZZ$ e 2,2 volte più grandi per $ZH$). Inoltre, questi canali offrono un'opportunità unica per sondare la fisica oltre il Modello Standard (BSM), specificamente ricercando risonanze pesanti spin-0 ($X$) che decadono in $ZZ$ e risonanze spin-1 ($Z'$) che decadono in $ZH$, che potrebbero derivare da estensioni quali modelli a singoletto, modelli a due doppietti di Higgs o dimensioni extra con curvatura (warped extra dimensions).

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). Lo studio si concentra su tre stati finali specifici:

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

Ricostruzione degli Eventi e Selezione:

• Modalità di Decadimento Tau: L'analisi considera tre modalità di decadimento $\tau\tau$: $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$ e $\tau_h\tau_h$, coprendo l'87,6% dei possibili decadimenti $\tau\tau$.
• Regimi Cinematici: Gli eventi sono categorizzati in regimi "resolved" (risolti) e "boosted" (accelerati) in base al boost di Lorentz dei sistemi $\tau\tau$ e $bb$.
  • Resolved: Utilizza jet AK4 ($R=0.4$) e criteri di isolamento standard.
  • Boosted: Utilizza jet AK8 ($R=0.8$) e algoritmi di ricostruzione dedicati per oggetti collimati.
• Identificazione degli Oggetti:
  • Jet: I jet AK4 sono identificati utilizzando l'algoritmo DEEPJET (working point medium). I jet AK8 sono identificati utilizzando l'algoritmo PARTICLENET (working point a bassa purezza) per taggare i decadimenti $Z/H \to bb$.
  • Tau: I candidati tau adronici sono ricostruiti utilizzando l'algoritmo HPS e identificati tramite gli algoritmi DEEPTAU (resolved) o BOOSTEDDEEPTAU (boosted).
  • Leptoni: Elettroni e muoni sono ricostruiti con gli standard CMS, con specifici aggiustamenti di isolamento per il regime boosted.
• Categorizzazione: Gli eventi sono classificati in 12 categorie mutuamente esclusive basate sul canale di decadimento $\tau\tau$ (3) e sul regime di ricostruzione ($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$, boosted $bb$-boosted $\tau\tau$).
• Ricostruzione della Massa: La massa invariante del sistema $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) è ricostruita utilizzando l'algoritmo FASTMTT, che impiega l'approssimazione collineare e il momento trasverso mancante ($p_T^{miss}$). La massa $bb$($m_{bb}$) è derivata dalla massa invariante dei dijet (resolved) o dalla massa soft-drop groomed (boosted). Viene applicata una selezione ellittica nel piano $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$ per selezionare i candidati del segnale.

Modellazione del Background e Estrazione del Segnale:

• Background: I background dominanti sono la produzione di coppie di quark top ($t\bar{t}$) e i processi Drell-Yan ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$). Il background QCD multijet è stimato utilizzando metodi ABCD basati sui dati. Altri contributi (single top, $W$+jets, dibosoni) sono modellati tramite simulazioni Monte Carlo (MC).
• Estrazione del Segnale: Reti Neurali Profonde (DNN) vengono addestrate per discriminare il segnale dal background.
  • Non-risonante: DNN dedicate sono addestrate per ciascun processo SM ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$).
  • Risonante: Una rete neurale parametrizzata è addestrata per le ricerche risonanti ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$), utilizzando la massa della risonanza come parametro di input per consentire limiti indipendenti dal modello attraverso un intervallo di massa.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di massima verosimiglianza binato sulle distribuzioni dell'output della DNN attraverso tutte le categorie e i canali. Le incertezze sistematiche (luminosità, scale di identificazione/energia degli oggetti, sezioni d'urto teoriche, PDF e statistica MC) sono trattate come parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave e Risultati

• Prime Misurazioni: Questo lavoro presenta le prime misurazioni dei processi $ZZ \to bb\tau\tau$ e $ZH \to bb\tau\tau$.
• Misurazioni SM:
  • La forza del segnale ($\mu$) per $ZZ \to bb\tau\tau$ è misurata come $0.10^{+0.70}_{-0.68}(\text{stat})^{+0.83}_{-0.84}(\text{syst})$.
  • La forza del segnale per $ZH \to bb\tau\tau$ è misurata come $-1.4^{+1.2}_{-1.1}(\text{stat}) \pm 1.0(\text{syst})$.
  • Entrambi i risultati sono coerenti con le previsioni dello Standard Model.
  • Limiti superiori al 95% di livello di confidenza (CL) sono impostati sulle sezioni d'urto di produzione, variando da 300 pb a 24 fb per $ZZ$ e da 0,4 pb a 12 fb per $ZH$.
• Ricerche Risonanti:
  • Le ricerche sono condotte per risonanze pesanti spin-0 ($X \to ZZ$) nell'intervallo di massa 200 GeV – 5 TeV e spin-1 ($Z' \to ZH$) nell'intervallo 500 GeV – 6 TeV.
  • Non è stata osservata alcuna deviazione significativa dalle aspettative dello SM.
  • Limiti superiori sono impostati su $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ e $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ attraverso gli intervalli di massa.
• Proiezioni di Sensibilità: Le proiezioni per l'HL-LHC suggeriscono che l'evidenza per $ZZ \to bb\tau\tau$ potrebbe essere raggiunta con $\sim 1$ ab$^{-1}$ e l'osservazione con $>2,5$ ab$^{-1}$, a condizione che le incertezze sistematiche siano ridotte. Il processo $ZH \to bb\tau\tau$ rimane più impegnativo, richiedendo probabilmente miglioramenti sostanziali nei metodi di analisi e nella modellazione del background per l'osservazione.

Significato
L'articolo stabilisce i processi $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ come "candele standard" (standard candles) per lo stato finale $bb\tau\tau$. Dimostrando che le tecniche di analisi sviluppate per questi processi ben noti possono essere applicate con successo, lo studio valida le strategie necessarie per la futura osservazione della produzione non risonante di coppie di bosoni di Higgs ($HH \to bb\tau\tau$). I risultati forniscono i primi vincoli sperimentali sulla produzione di $ZZ$e$ZH$ in questo specifico stato finale e impostano i primi limiti sulle risonanze pesanti che decadono in questi stati nel canale $bb\tau\tau$, sondando potenziali incrementi negli accoppiamenti con i fermioni di terza generazione. L'analisi conferma che, sebbene il processo $ZZ \to bb\tau\tau$ offra una via più accessibile all'osservazione rispetto a $HH \to bb\tau\tau$ grazie alle sezioni d'urto più grandi, esso rimane comunque soggetto a significativi problemi di background che devono essere affrontati per sfruttare appieno il dataset dell'HL-LHC.