Measurements of inclusive and differential cross sections for the Higgs boson production and decay to four-leptons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Technische Samenvatting: Metingen van inclusieve en differentiële dwarsdoorsneden voor Higgsbosonproductie en verval naar vier leptonen in proton-protonbotselingen bij $\sqrt{s} = 13$ TeV

Probleem en Motivatie
De karakterisering van het Higgsboson ($H$) blijft een centraal doel in de deeltjesfysica om het Standaardmodel (SM) te valideren en te zoeken naar fysica buiten het Standaardmodel (BSM). Het vervalkanaal $H \to ZZ \to 4\ell$ (waarbij $\ell = e, \mu$) is een "gouden kanaal" vanwege de volledig reconstructeerbare eindtoestand en de hoge signaal-achtergrondverhouding. Hoewel eerdere metingen met Run 1 (7 en 8 TeV) en gedeeltelijke Run 2 (13 TeV) data de massa, spin, pariteit en inclusieve eigenschappen van het boson hebben vastgesteld, richt dit artikel zich op de noodzaak voor een meer uitgebreide karakterisering met de volledige Run 2-dataset. Specifiek beoogt het inclusieve en differentiële fiduciale dwarsneden te meten met verminderde modelafhankelijkheid, kinetische observabelen te onderzoeken die gevoelig zijn voor anomale koppelingen, en de transversale impuls ($p_T$) distributie te gebruiken om de trilineaire Higgs-zelfkoppeling en de koppelingen aan bottom- en charmquarks te beperken.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-protonbotsingsdata die zijn opgenomen door het CMS-experiment bij de LHC tijdens 2016, 2017 en 2018, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Event Selectie: Kandidaten worden geselecteerd door te eisen dat er vier goed geïdentificeerde, geïsoleerde leptonen ($4e$, $4\mu$, of $2e2\mu$) zijn die afkomstig zijn van de primaire vertex. Events moeten twee leptonparen met dezelfde smaak en tegengestelde lading bevatten die $Z$-boson kandidaten vormen ($Z_1$ en $Z_2$) met invarianties massa's binnen specifieke bereiken ($40 < m_{Z1} < 120$ GeV en $12 < m_{Z2} < 120$ GeV). De vier-lepton invariantie massa ($m_{4\ell}$) moet tussen 105 en 160 GeV liggen.
• Fiduciale Faseruimte: Om de theoretische modelafhankelijkheid te minimaliseren, worden dwarsneden gemeten binnen een fiduciale faseruimte gedefinieerd op generatorniveau. Deze regio bootst de experimentele acceptatie nauwgezet na, inclusief vereisten op leptonkinematica, isolatie en event-topologie.
• Signaal- en Achtergrondmodellering: Signaalstalen voor de vijf belangrijkste productiemechanismen (gluonfusie, vectorbosonfusie, geassocieerde productie met vectorbosonen, en geassocieerde productie met topquarks) worden gesimuleerd bij next-to-leading order (NLO) of hoger. Irredubiele achtergronden ($ZZ$-productie) worden geschat met behulp van simulatie met NNLO-correcties, terwijl reduceerbare achtergronden ($Z$+jets, $t\bar{t}$+jets, etc.) worden geschat met een datagedreven "matrixmethode" gebaseerd op lepton misidentificatiesnelheden.
• Statistische Extractie: Inclusieve en differentiële dwarsneden worden geëxtraheerd via een maximum likelihood-fit aan de geobserveerde $m_{4\ell}$-distributie. De fit houdt simultaan rekening met signaal- en achtergrondvormen, waarbij de vertakkingsfracties van verschillende eindtoestanden als onbeperkte parameters worden behandeld om de modelonafhankelijkheid te vergroten. Detector-effecten worden naar de fiduciale faseruimte geunfolded met behulp van responsmatrices afgeleid van simulatie.
• Observabelen: De analyse meet dwarsneden differentieel in bins van:
  • Productiekinematica: Higgs transversale impuls ($p_T^H$), rapiditeit ($|y_H|$), jet-multipliciteit ($N_{jets}$), en jet-kinematica ($p_T^{j1}, p_T^{j2}, m_{jj}, \Delta\eta_{jj}, \Delta\phi_{jj}$).
  • Vervalkinematica: Invariantie massa's van $Z$-kandidaten ($m_{Z1}, m_{Z2}$) en vijf hoekvariabelen ($\theta^*, \theta_1, \theta_2, \Phi, \Phi_1$).
  • Matrix-element discriminanten: Zes kinematische discriminanten die gevoelig zijn voor anomale HVV-koppelingen ($a_3, a_2, \Lambda_1, \Lambda_{Z\gamma}$) en interferentietermen.
  • Dubbel-differentiële metingen: Combinaties van de bovenstaande observabelen om de dekking van de faseruimte te maximaliseren.

Belangrijkste Bijdragen

• Precisie-metingen: Dit werk presenteert de eerste metingen van inclusieve en differentiële fiduciale dwarsneden voor $H \to ZZ \to 4\ell$ met de volledige Run 2-dataset ($138 \text{ fb}^{-1}$).
• Reductie van Systematische Onzekerheid: Een nieuwe methode voor het schatten van systematische onzekerheden in elektron-efficiëntiemetingen wordt geïntroduceerd, gebruikmakend van een root-mean-square benadering van alternatieve tag-and-probe fit variaties. Dit vermindert de leidende systematische onzekerheid (elektron reconstructie en selectie-efficiëntie) met ongeveer 40% vergeleken met vorige analyses.
• Uitgebreide Kinematische Dekking: Het artikel biedt een volledige set differentiële metingen, inclusclusief zes dubbel-differentiele dwarsneden, die de gehele fiduciale faseruimte dekken en eindtoestanden met dezelfde smaak en verschillende smaak scheiden om interferentie-effecten te accounten.
• Nieuwe Beperkingen: De analyse leidt beperkingen af op de trilineaire Higgs-zelfkoppeling ($\kappa_\lambda$) en de koppelingsmodificatoren voor bottom- ($\kappa_b$) en charmquarks ($\kappa_c$) direct uit de $p_T^H$ distributie, wat een complementaire aanpak biedt aan eerdere beperkingen afgeleid van vereenvoudigde template dwarsneden (STXS) of gecombineerde vervalkanalen.

Resultaten

• Inclusieve Dwarsdoorsnede: De gemeten inclusieve fiduciale dwarsdoorsnede is $\sigma_{\text{fid}} = 2.73 \pm 0.26 \text{ fb}$ (statistische en systematische onzekerheden gecombineerd), wat in overeenstemming is met de SM-verwachting van $2.86 \pm 0.15 \text{ fb}$. De totale onzekerheid is met 15% verminderd vergeleken met vorige metingen, voornamelijk door de verbeterde elektron-efficiëntie onzekerheid.
• Differentiële Metingen: Alle differentiële dwarsneden gemeten als functie van $p_T^H$, $|y_H|$, jet-observabelen en vervalangels zijn consistent met de SM-voorspellingen binnen de onzekerheden. De $p$-waarden voor de compatibiliteit van de data met de SM-voorspellingen variëren van 0.05 tot 0.99.
• Anomale Koppelingen: De metingen van matrix-element discriminanten die gevoelig zijn voor anomale HVV-koppelingen tonen geen significante afwijking van de SM-hypothese. De data bevoordelen de SM-voorspellingen boven diverse BSM-scenario's.
• Koppelingsbeperkingen:
  • Trilineaire Zelfkoppeling ($\kappa_\lambda$): Het geobserveerde 95% betrouwbaarheidsinterval (CL) is $-5.4 < \kappa_\lambda < 14.9$, met een verwacht interval van $-7.6 < \kappa_\lambda < 17.7$.
  • Bottom en Charm Koppelingen ($\kappa_b, \kappa_c$): Uitgaande van het feit dat de vertakkingsfractie afhankelijk is van deze koppelingen, zijn de geobserveerde 95% CL limieten $-1.1 < \kappa_b < 1.1$ en $-5.3 < \kappa_c < 5.2$. Deze beperkingen vervangen de eerdere resultaten gerapporteerd voor het $H \to ZZ \to 4\ell$ kanaal alleen.

Significantie
Het artikel stelt dat deze resultaten een uitgebreide en modelonafhankelijke karakterisering bieden van de Higgsbosonproductie en het verval in het $4\ell$ kanaal. Door gebruik te maken van de volledige Run 2-dataset en verbeterde kalibratietechnieken, bereikt de analyse een significante reductie in systematische onzekerheden, met name met betrekking tot elektronidentificatie. De differentiële metingen bieden een gedetailleerde test van de SM-voorspellingen over diverse kinematische regimes, terwijl de afgeleide beperkingen op de trilineaire zelfkoppeling en de quarkkoppelingen een belangrijke stap vormen naar het begrijpen van het Higgs-potentiaal en de interacties met fermionen. Alle resultaten zijn consistent met het Standaardmodel, wat het huidige theoretische kader versterkt terwijl het stringente limieten stelt aan potentiële BSM-fysica effecten in dit specifieke vervalkanaal.