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

Technische Samenvatting: Zoektochten naar Resonante en Niet-resonante Multi-Higgs Productie in ATLAS en CMS

Probleem en Motivatie
De meting van de zelfkoppelingen van het Higgs-boson is een primair fysica-doel van het Large Hadron Collider (LHC) programma, aangezien deze koppelingen de vorm van het Higgs-potentiaal definiëren en gevoeligheid bieden voor fysica buiten het Standaardmodel (BSM). De triliniere zelfkoppeling wordt onderzocht via di-Higgs ($HH$) productie, die een doorsnede heeft die ongeveer $10^3$ keer kleiner is dan de enkelvoudige Higgs-productie. De quartaire koppeling is toegankelijk via tri-Higgs ($HHH$) productie, met een doorsnede die ongeveer $5 \times 10^2$ keer kleiner is dan di-Higgs productie. Daarnaast worden resonante zoektochten naar zware scalairen die vervallen naar Higgs-paren of een Higgs en een nieuwe scalaire, gemotiveerd door diverse BSM-modellen. Het artikel presenteert recente resultaten van de ATLAS- en CMS-collaboraties die zowel resonante als niet-resonante multi-Higgs productie bestrijken over diverse eindtoestanden, gebruikmakend van data van LHC Run 2 ($\sqrt{s} = 13$ TeV) en vroege Run 3 ($\sqrt{s} = 13,6$ TeV).

Methodologie
De analyses maken gebruik van geavanceerde machine learning-technieken en geoptimaliseerde strategieën om zeldzame signaalprocessen te scheiden van dominante achtergronden. Belangrijke methodologische benaderingen omvatten:

• Di-Higgs ($HH$) Zoektochten:

  • $HH \to b\bar{b}\gamma\gamma$: ATLAS maakte gebruik van een combinatie van volledige Run 2 en gedeeltelijke Run 3 data (308 fb$^{-1}$), waarbij Boosted Decision Trees (BDTs) werden getraind in kinematische regio's gedefinieerd door de $b\bar{b}\gamma\gamma$ invariante massa. Signaalregio's (SRs) werden gedefinieerd op basis van BDT-outputs, en een simultane fit van de $m_{\gamma\gamma}$-distributie over 14 exclusieve SR's werd uitgevoerd. CMS analyseerde 62 fb$^{-1}$ aan Run 3 data met twee benaderingen: een 1D-fit ($m_{\gamma\gamma}$ alleen) en een 2D-fit ($m_{\gamma\gamma}$ en $m_{b\bar{b}}$). Beide maakten gebruik van multiclass multivariate methoden om "resolved" en "boosted" SR's te construeren.
  • $HH \to WWbb$: CMS analyseerde 62 fb$^{-1}$ aan Run 3 data, waarbij gluon-gluon fusie (ggF) en vectorbosonfusie (VBF) signalen werden gecategoriseerd in resolved en boosted SR's op basis van het aantal $b$-getagde jets. Binaire en multiclass neurale netwerken (NNs) werden gebruikt om het signaal te scheiden van achtergronden ($t\bar{t}$, $t$, $DY$).
  • $t\bar{t}HH$ Productie: ATLAS voerde de eerste zoektocht naar dit proces uit met 196 fb$^{-1}$ (2015–2023 data). Drie signaturen werden doelwit: single-lepton ($1L$), same-sign/multilepton ($SSML$), en $b\bar{b}\gamma\gamma$. Transformer NNs werden toegepast op de $1L$ en $SSML$ categorieën, terwijl BDTs werden gebruikt voor de $b\bar{b}\gamma\gamma$ categorie. Signaalextractie gebeurde via simultane fits van NN-outputs en $m_{\gamma\gamma}$-distributies.
  • Combinaties: Onafhankelijke analyses van ATLAS en CMS werden gecombineerd om de sensitiviteit te maximaliseren, wat resulteerde in de meest stringente limieten tot nu toe.

• Tri-Higgs ($HHH$) Zoektochten:

  • CMS zocht naar $HHH \to 6b$ met 138 fb$^{-1}$ aan Run 2 data. Gezien de lage reconstructie-efficiëntie (slechts $\sim25\%$ van de events heeft drie gereconstrueerde Higgs-bosonen), maakte de analyse gebruik van SPANet om events te classificeren als signaal ($HHH$) en achtergrond ($HH$, $t\bar{t}$, QCD). Een extra SPANet-laag categoriseerde signalevents op basis van het aantal resolved ($h$) of boosted ($bh$) Higgs-bosonen.

• Resonante Zoektochten:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Analyseerde Run 2 en Run 3 data (140 + 59 fb$^{-1}$) met geparametriseerde neurale netwerken (PNNs) in regio's met één of twee $b$-getagde jets om een breed massaparameterruimte voor zware scalairen $X$ en $S$ te dekken.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ en $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Gebruikte Run 2 data (138 fb$^{-1}$) met geparametriseerde BDTs in SR's met 0, 1 of 2 large-radius jets om diverse massahypothesen voor $X$ en $Y$ te verkennen.

Belangrijkste Resultaten

• Niet-resonante Di-Higgs ($HH$):

  • ATLAS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): De signaalsterkte werd gemeten als $\mu_{HH} = 0.9^{+1.3}_{-1.0}(\text{stat.})^{+0.6}_{-0.5}(\text{syst.})$, consistent met het Standaardmodel (SM). De geobserveerde (verwachte) significantie was 0.84 (1.01) $\sigma$. Bovengrens-limieten werden gesteld op $\mu_{HH} < 3.8$ (geobserveerd) en $\mu_{HH} < 3.7$ (verwacht). Beperkingen op koppelingsmodificatoren waren $\kappa_\lambda = 2.7^{+2.3}_{-3.0}$ en $\kappa_{2V} = 1.6^{+0.6}_{-1.9}$.
  • CMS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): Gebruikmakend van de 2D-fit benadering, waren de geobserveerde (verwachte) bovengrens-limieten $\mu_{HH} < 11$ (7.3). De $\kappa_\lambda$ modificator werd beperkt tot het bereik $-6.1 < \kappa_\lambda < 12.8$.
  • CMS ($WWbb$): Geobserveerde (verwachte) bovengrens op signaalsterkte was 12.7 (18.6). Beperkingen waren $\kappa_\lambda \in [-9.7, 15.8]$ en $\kappa_{2V} \in [-0.27, 2.32]$.
  • ATLAS ($t\bar{t}HH$): Geobserveerde (verwachte) bovengrens op signaalsterkte was $\mu_{HH} < 20$ (21). De Wilson-coëfficiënt $c_{t\bar{t}HH}$ werd beperkt tot $[-3.9, 3.4]$.
  • Gecombineerd ATLAS/CMS: De combinatie van onafhankelijke analyses leverde de meest stringente limieten tot nu toe op: $\mu_{HH}^{\text{geobserveerd(verwacht)}} < 2.5(1.7)$, met de strakste beperkingen op $\kappa_\lambda$ en $\kappa_{2V}$.

• Niet-resonante Tri-Higgs ($HHH$):

  • CMS ($6b$): De analyse leverde de beste limiet tot nu toe op de tri-Higgs productie, met $\mu_{HHH}^{\text{geobserveerd(verwacht)}} < 588(572)$. De quartaire koppelingsmodificator werd beperkt als $|\kappa_4| < 190$.

• Resonante Zoektochten:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Er werden geen significante excessen gerapporteerd; de hoogste lokale significantie was van de orde van 2$\sigma$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ en $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Bovengrens-limieten op productiedoorsneden werden ingesteld, welke vergelijkbaar bleken met die in meer sensitieve eindtoestanden zoals $H \to \gamma\gamma$ en $H \to \tau\tau$.

Significantie en Vooruitzicht
Het artikel benadrukt dat de ATLAS- en CMS-collaboraties een niveau van volwassenheid hebben bereikt in Run 2 analyses, wat uitgebreide combinaties mogelijk maakt die de sensitiviteit aanzienlijk verbeteren. De integratie van Run 3 data en de toepassing van de nieuwste machine learning (inclusclusief transformer NNs, SPANet en PNNs) hebben het vermogen verbeterd om deze zeldzame processen te verkennen. Hoewel de huidige resultaten consistent zijn met het Standaardmodel, leggen de lopende inspanningen de basis voor High-Luminosity LHC-projecties, die een verwachte significantie van meer dan 7$\sigma$ voorzien voor de observatie van di-Higgs productie tegen het einde van het Phase 2 running-programma.