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

Met behulp van 138 fb$^{-1}$ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV heeft het CMS-experiment de totale vervalbreedte van het Higgs-boson bepaald op 3,9$^{+2,7}_{-2,2}$ MeV via het H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$-kanaal, waarmee een drievoudige verbetering in onzekerheid ten opzichte van eerdere resultaten wordt bereikt, terwijl de consistentie met het Standaardmodel wordt bevestigd.

De kern

Het Grote Plaatje: Een Spook Wegen

Stel je het Higgs-boson voor als een zeer verlegen, ongelooflijk snel spook dat voor een fractie van een seconde verschijnt in een enorme deeltjesversneller (de Large Hadron Collider, of LHC) en vervolgens verdwijnt. Wetenschappers willen precies weten hoe "zwaar" dit spook is in termen van zijn energie, wat natuurkundigen zijn vervalbreedte noemen.

Denk aan de vervalbreedte als de luidheid van een bel.

• Een bel die lang klinkt (een brede vervalbreedte) is luid en makkelijk te horen.
• Een bel die slechts een fractie van een seconde klinkt (een smalle vervalbreedte) is een zacht "ping" dat heel moeilijk te vangen is.

Het Standaardmodel (het reglement van de natuurkunde) voorspelt dat dit Higgs-spook een zeer zacht "ping" zou moeten zijn – zo zacht dat onze detectoren te wazig zijn om het direct te horen. Het is alsof je probeert het exacte gewicht van een veer te meten met een badkamerweegschaal; de weegschaal is niet gevoelig genoeg.

De Truc: Luisteren naar de Echo

Omdat ze het spook niet direct kunnen wegen, gebruikte het CMS-team bij CERN een slimme truc. Ze keken naar twee verschillende manieren waarop het spook verschijnt:

1. Het "On-Shell" Spook (Het Hoofdevenement): Dit is het spook dat verschijnt bij zijn normale, verwachte energie (125 GeV). Het is alsof het spook precies op het moment dat het uitgenodigd is, op het feestje verschijnt.
2. Het "Off-Shell" Spook (De Zeldzame Gast): Dit is het spook dat verschijnt bij veel hogere energieën (boven de 160 GeV). Het is alsof het spook het feestje binnendringt op een veel hogere energieniveau. Dit gebeurt zeer zelden.

De Analogie:
Stel je voor dat je probeert uit te vinden hoe snel een motordraait, maar je kunt niet naar de motor kijken. In plaats daarvan kijk je hoeveel brandstof de auto verbruikt bij een lage snelheid (on-shell) versus hoeveel hij verbruikt wanneer hij zijn motor op toeren brengt tot het roodvermogen (off-shell).

Het artikel legt uit dat de verhouding tussen deze twee "brandstofverbruiken" je het geheime toerental van de motor vertelt (de vervalbreedte). Als het spook erg "smal" (stil) is, is de high-energy "off-shell" versie veel moeilijker te produceren dan de normale versie. Door te meten hoe vaak de high-energy versie verschijnt ten opzichte van de normale versie, kunnen ze de breedte berekenen.

Het Experiment: De Grote Filter

De wetenschappers keken naar 138 "femtobarns" aan data. Om dat in perspectief te plaatsen, is het alsof je 138 biljoen protonbotsingen ziet plaatsvinden in de LHC tussen 2016 en 2018.

Ze zochten naar een specifiek signaal: Een Higgs-boson dat verandert in twee W-deeltjes, die vervolgens veranderen in een elektron en een muon (en enkele onzichtbare neutrino's).

• De Uitdaging: De achtergrondruis is enorm. Het is alsof je probeert een fluistering te horen in een stadion vol juichende fans. De "fans" zijn andere deeltjesbotsingen die er vergelijkbaar uitzien, maar geen Higgs zijn.
• De Oplossing: Ze gebruikten een Deep Neural Network (DNN). Denk hierbij aan een superintelligente AI-scheidsrechter. Hij keek naar elke enkele botsing en vroeg: "Ziet dit eruit als het Higgs-spook, of is het gewoon achtergrondruis?" Hij sorteerde de gebeurtenissen in verschillende categorieën op basis van hoeveel andere deeltjes (jets) er rondvlogen.

De Resultaten: Een Perfecte Match

Na het sorteren door de ruis en het gebruik van hun AI-scheidsrechter, vond het team het volgende:

• Het Off-Shell Signaal: Ze maten hoe vaak het high-energy spook verscheen. Het resultaat was 1,2 (met enige onzekerheid). In het reglement is een waarde van 1,0 perfect. Dus, 1,2 is zeer dicht bij wat werd verwacht.
• De Totale Breedte: Met behulp van de verhouding tussen het high-energy spook en het normale spook, berekenden ze de totale vervalbreedte.
  • Hun Resultaat: 3,9 MeV (plus of minus een beetje).
  • De Voorspelling: 4,1 MeV.

Het Vonnis: De meting is een perfecte match voor het Standaardmodel. Het "spook" is precies zo stil en ontvluchtbaar als het reglement voorspelde dat het zou zijn.

Waarom Dit Belangrijk Is

Dit is niet zomaar een "we hebben het gevonden"-artikel; het is een "we hebben het nauwkeurig gemeten"-artikel.

• Verbetering: Dit resultaat is 3 keer nauwkeuriger dan de vorige poging van hetzelfde team met oudere data.
• Nieuw Kanaal: Dit is de eerste keer dat het CMS-team deze specifieke breedte heeft gemeten met behulp van het H → WW (Higgs naar W-deeltjes) kanaal bij de hoge energie van 13 TeV. Vroeger moesten ze een ander kanaal gebruiken (H → ZZ).
• Consistentie: Het feit dat de meting zo goed overeenkomt met de voorspelling, betekent dat er op dit moment geen "rare" nieuwe natuurkunde in de schaduwen verstopt zit. Het Higgs-boson gedraagt zich precies zoals het Standaardmodel voorspelt.

Samenvatting

Het CMS-team fungeerde als detectives die probeerden een spook te wegen. Ze konden het niet direct wegen, dus vergeleken ze hoe vaak het spook verscheen in een "normale" toestand versus een "high-energy" toestand. Met behulp van een enorme hoeveelheid data en een slimme AI om de ruis te filteren, berekenden ze de "breedte" van het spook op 3,9 MeV. Dit komt bijna perfect overeen met de theoretische voorspelling van 4,1 MeV, wat bevestigt dat ons huidige begrip van de bouwstenen van het universum nog steeds stevig staat.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Meting van de totale vervalbreedte van het Higgs-boson met behulp van het H →WW →eνµν-vervalkanaal

Probleem en Motivatie
De totale vervalbreedte van het Higgs-boson ($\Gamma_H$) is een fundamentele parameter van het Standaardmodel (SM). Voor een SM-Higgs-boson met een massa van 125 GeV is de theoretische voorspelling 4,1 MeV. Deze waarde is echter aanzienlijk kleiner dan de resolutie van de invariantie massa van de detectors van de Large Hadron Collider (LHC), waardoor een directe meting van de vervalbreedte onuitvoerbaar is. Bijgevolg moet $\Gamma_H$ indirect worden beperkt door de productiesnelheden van het Higgs-boson in "on-shell"-regimes (dicht bij de resonantiemassa) en "off-shell"-regimes (bij hoge invariantie massa's) met elkaar te vergelijken.

Vorige metingen door de CMS-samenwerking in het $H \to ZZ$-kanaal en het $H \to WW \to 2\ell 2\nu$-kanaal (met behulp van data van 7 en 8 TeV) leverden beperkingen op, maar met beperkte precisie. Dit artikel adresseert de behoefte aan een nauwkeurigere bepaling van $\Gamma_H$ met behulp van het volledige Run 2-dataset (2016–2018) bij $\sqrt{s} = 13$ TeV, met name gericht op het $H \to WW \to e\nu\mu\nu$-vervalkanaal. De studie beoogt de vorige CMS-limiet in dit kanaal ($\Gamma_H < 26$ MeV) te verbeteren door gebruik te maken van een verhoogde energie van het zwaartepunt, een hogere geïntegreerde lichtkracht en verfijnde theoretische en experimentele modellering.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton-botsingsdata die overeenkomt met een geïntegreerde lichtkracht van 138 fb$^{-1}$, verzameld door het CMS-experiment. De meting rust op de verhouding van off-shell tot on-shell productiewerkingsdoorsneden, die evenredig is met de totale vervalbreedte ($\Gamma_H \propto \mu_{\text{off-shell}} / \mu_{\text{on-shell}}$).

• Selectie en reconstructie van gebeurtenissen: Gebeurtenissen worden geselecteerd door een tegenovergesteld geladen elektron-muonpaar ($e\mu$) te eisen om Drell-Yan-achtergronden te onderdrukken. Kinematische vereisten omvatten ontbrekende transversale impuls ($p^{\text{miss}}_T > 20$ GeV) om rekening te houden met neutrino's, een invariantie massa van het dilepton $m_{e\mu} > 20$ GeV, en een gereconstrueerde transversale massa van het Higgs-boson $m^H_T > 60$ GeV. Jets worden geclusterd met behulp van het anti-$k_T$-algoritme, en gebeurtenissen met $b$-getagde jets worden uitgesloten om achtergronden van top-quarks te verminderen.
• Categorisering: Gebeurtenissen worden gecategoriseerd op basis van het aantal jets (0, 1 en $\ge 2$) om te onderscheiden tussen gluon-gluonfusie (ggF) en vectorbosonfusie (VBF) productiemodi.
• Machine Learning-discriminatie: Een multiclass diep neuronaal netwerk (DNN) wordt ingezet om signaal van achtergrond te scheiden. Het DNN wordt getraind om gebeurtenissen te classificeren in vier klassen voor de 0- en 1-jet-categorieën (off-shell ggF, on-shell ggF, top-quark, niet-resonante WW) en zes klassen voor de $\ge 2$-jet-categorie (met toevoeging van off-shell/on-shell VBF). Invoervariabelen omvatten kinematische eigenschappen van het dileptonsysteem, het dijetsysteem, ontbrekende transversale impuls en een proxy voor de invariantie massa van het WW-systeem.
• Modellering van signaal en achtergrond:
  • Signaal: Off-shell-bijdragen worden gedefinieerd door een vereiste op generator-niveau van $m_{WW} > 160$ GeV. Simulaties voor ggF en VBF maken gebruik van POWHEG en JHUGEN (voor VBF) of MCFM (voor ggF), met inachtneming van complexe poolschema's en interferentie-effecten tussen signaal en continue achtergronden.
  • Achtergronden: Belangrijke achtergronden omvatten niet-resonante WW-productie, top-quark ($t\bar{t}$) en Drell-Yan-processen. Normalisaties voor niet-resonante WW en $t\bar{t}$ worden gelijktijdig beperkt in signaalgewesten (SR) en controlegewesten (CR) met behulp van data. Achtergronden van niet-onmiddellijke leptonen worden geschat met behulp van een datagedreven "matrixmethode"-benadering.
• Statistische analyse: Een profiel-likelihood-fit wordt uitgevoerd met behulp van het COMBINE-framework. De likelihood-functie integreert de DNN-uitgangsverdelingen voor off-shell signaalgewesten en on-shell controlegewesten. Systematische onzekerheden (experimenteel en theoretisch) worden behandeld als storende parameters met Gaussische beperkingen.

Belangrijkste bijdragen

• Eerste 13 TeV-meting in $H \to WW$: Dit werk presenteert de eerste CMS-bepaling van de vervalbreedte van het Higgs-boson met behulp van het $H \to WW \to e\nu\mu\nu$-kanaal bij $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Verbeterde precisie: De analyse bereikt een verbetering van de onzekerheid met een factor 3 ten opzichte van het vorige CMS-resultaat in dit specifieke vervalkanaal (afgeleid van data van 7 en 8 TeV).
• Geavanceerde modellering: De studie implementeert geavanceerde modellering van de interferentie tussen het off-shell Higgs-signaal en de continue WW-achtergrond, wat cruciaal is voor een nauwkeurige extractie van de signaalsterkte in de staart bij hoge massa's.
• DNN-gebaseerde categorisering: De toepassing van diepe neurale netwerken zorgt voor efficiënte discriminatie tussen signaal en achtergrond over verschillende jet-multipliciteiten, waardoor de gevoeligheid in zowel ggF- als VBF-productiemodi wordt geoptimaliseerd.

Resultaten

• Off-shell signaalsterkte: De off-shell signaalsterkte wordt gemeten als $\mu_{\text{off-shell}} = 1,2^{+0,8}_{-0,7}$. Deze waarde is consistent met de SM-voorspelling van eenheid.
• Totale vervalbreedte: De totale vervalbreedte van het Higgs-boson wordt bepaald op $\Gamma_H = 3,9^{+2,7}_{-2,2}$ MeV.
• Consistentie met SM: De gemeten breedte komt overeen met de Standaardmodel-voorspelling van 4,1 MeV.
• Uitsluitingslimieten: Het scenario van geen off-shell Higgs-boson-productie wordt uitgesloten op 3,4 standaardafwijkingen (met een verwachte uitsluiting van 1,3 standaardafwijkingen). De bovengrens op de breedte bij 95% betrouwbaarheidsniveau is $\Gamma_H < 22,00$ MeV.
• Ontleding van onzekerheid: De totale onzekerheid in de verhouding $r = \mu_{\text{off-shell}}/\mu_{\text{on-shell}}$ wordt gedomineerd door statistische onzekerheden (56%), gevolgd door theoretische onzekerheden (27%).

Betekenis
Het artikel beweert dat dit resultaat een aanzienlijke vooruitgang vertegenwoordigt in het beperken van de eigenschappen van het Higgs-boson. Door eerdere metingen in het $H \to ZZ$-kanaal aan te vullen, biedt deze analyse een robuuste, onafhankelijke beperking op $\Gamma_H$ met behulp van het WW-kanaal. Het resultaat bevestigt de SM-voorspelling binnen de onzekerheden en toont aan dat afwijkingen van het SM, die kunnen wijzen op anormale koppelingen of nieuwe fysica, momenteel binnen het gemeten bereik zijn beperkt. De verbetering in precisie ten opzichte van eerdere limieten in dit kanaal onderstreept de effectiviteit van het gebruik van het volledige Run 2-dataset en geavanceerde analyse-technieken zoals deep learning en nauwkeurige interferentiemodellering.