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

Technische Samenvatting: Studie van ZZ- en ZH-productie in de $bb\tau\tau$-eindtoestand en zoektocht naar hoog-massa resonanties

Probleem en Motivatie
De ontdekking van het Higgs-boson ($H$) heeft het Standaardmodel (SM) gevalideerd, maar kritieke parameters zoals de Higgs zelfkoppeling ($\lambda$) blijven ongemeten. De meting van Higgs-bosonpaarproductie ($HH$) is de primaire weg om $\lambda$ te beperken. Het $HH \to bb\tau\tau$-vervalkanaal biedt een hoge gevoeligheid, maar staat voor aanzienlijke experimentele uitdagingen, waaronder grote achtergronden en complexe reconstructie. Om analysestrategieën voor de High-Luminosity LHC (HL-LHC) te verfijnen en de robuustheid van $HH \to bb\tau\tau$-zoektochten te verbeteren, is het noodzakelijk om experimenteel goed gevestigde SM-processen te bestuderen die vergelijkbare topologische kenmerken delen. De geassocieerde productie van een $Z$-boson en een $Z$-boson ($ZZ$) of een $Z$-boson en een Higgs-boson ($ZH$) in de $bb\tau\tau$-eindtoestand dient als een ideaal ijkpunt. Deze processen delen de experimentele uitdagingen van de $HH$-zoektocht, maar bezitten aanzienlijk grotere dwarsdoorsneden (ongeveer 64 keer groter voor $ZZ$ en 2,2 keer groter voor $ZH$). Bovendien bieden deze kanalen een unieke gelegenheid om natuurkunde buiten het Standaardmodel (BSM) te verkennen, specificaal door te zoeken naar zware spin-0 resonanties ($X$) die vervallen naar $ZZ$ en spin-1 resonanties ($Z'$) die vervallen naar $ZH$, welke zouden kunnen voortvloeien uit uitbreidingen zoals singletmodellen, twee-Higgs-dubbelveldmodellen of gewarpt extra dimensies.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsgegevens verzameld door het CMS-experiment bij $\sqrt{s} = 13$ TeV, overeenkomend met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). De studie richt zich op drie specifieke eindtoestanden:

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

Event Reconstructie en Selectie:

• Tau Vervalmodi: De analyse beschouwt drie $\tau\tau$-verfalmodi: $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$ en $\tau_h\tau_h$, wat 87,6% van de mogelijke $\tau\tau$-vervallen dekt.
• Kinematische Regimes: Events worden gecategoriseerd in "resolved" en "boosted" regimes op basis van de Lorentz-boost van de $\tau\tau$- en $bb$-systemen.
  • Resolved: Gebruikt AK4-jets ($R=0.4$) en standaard isolatiecriteria.
  • Boosted: Gebruikt AK8-jets ($R=0.8$) en toegewijde reconstructie-algoritmen voor samengedrukte objecten.
• Object Identificatie:
  • Jets: AK4-jets worden geïdentificeerd met het DEEPJET-algoritme (medium working point). AK8-jets worden geïdentificeerd met het PARTICLENET-algoritme (low-purity working point) om $Z/H \to bb$-vervallen te taggen.
  • Taus: Hadronische tau-kandidaten worden gereconstrueerd met het HPS-algoritme en geïdentificeerd met de DEEPTAU (resolved) of BOOSTEDDEEPTAU (boosted) algoritmen.
  • Leptonen: Elektronen en muonen worden gereconstrueerd met standaard CMS-criteria, met specifieke isolatie-aanpassingen voor het boosted regime.
• Categorisering: Events worden geclassificeerd in 12 wederzijds uitsluitende categorieën op basis van het $\tau\tau$-verfallkanaal (3) en het reconstructieregime ($bb$ resolved 1b, resolved 2b, boosted $bb$-resolved $\tau\tau$, boosted $bb$-boosted $\tau\tau$).
• Massareconstructie: De invariante massa van het $\tau\tau$-systeem ($m_{\tau\tau}$) wordt gereconstrueerd met het FASTMTT-algoritme, dat een collinear benadering en ontbrekende transversale impuls ($p_T^{miss}$) gebruikt. De $bb$-massa ($m_{bb}$) wordt afgeleid van de dijet-invariante massa (resolved) of soft-drop gegroomde massa (boosted). Een elliptische selectie in het $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$-vlak wordt toegepast om signaalkandidaten te selecteren.

Achtergrondmodellering en Signaalextractie:

• Achtergronden: De dominante achtergronden zijn topkwarkpaarproductie ($t\bar{t}$) en Drell-Yan ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$) processen. De QCD-multijet achtergrond wordt geschat met data-gedreven ABCD-methoden. Andere bijdragen (single top, $W$+jets, diboson) worden gemodelleerd met Monte Carlo (MC) simulaties.
• Signaalextractie: Deep Neural Networks (DNN's) worden getraind om het signaal van de achtergrond te onderscheiden.
  • Niet-resonant: Specifieke DNN's worden getraind voor elk SM-proces ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$).
  • Resonant: Een geparametriseerde neurale netwerk wordt getraind voor resonantie-zoektochten ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$), waarbij de resonantiemassa als inputparameter wordt gebruikt om model-onafhankelijke limieten over een massabereik mogelijk te maken.
• Statistische Analyse: Een binned maximum likelihood fit wordt uitgevoerd op de DNN-outputverdelingen over alle categorieën en kanalen. Systematische onzekerheden (luminositeit, object identificatie/energieschalen, theoretische dwarsdoorsneden, PDF's en MC-statistiek) worden behandeld als nuisance parameters.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Eerste Metingen: Dit werk presenteert de eerste metingen van de $ZZ \to bb\tau\tau$ en $ZH \to bb\tau\tau$ processen.
• SM Metingen:
  • De signaalsterkte ($\mu$) voor $ZZ \to bb\tau\tau$ wordt gemeten als $0,10^{+0,70}_{-0,68}(\text{stat})^{+0,83}_{-0,84}(\text{syst})$.
  • De signaalsterkte voor $ZH \to bb\tau\tau$ wordt gemeten als $-1,4^{+1,2}_{-1,1}(\text{stat}) \pm 1,0(\text{syst})$.
  • Beide resultaten zijn consistent met de voorspellingen van het Standaardmodel.
  • Bovenlimieten op het 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) worden gesteld op de productiedwarsdoorsneden, variërend van 300 pb tot 24 fb voor $ZZ$ en van 0,4 pb tot 12 fb voor $ZH$.
• Resonante Zoektochten:
  • Er worden zoektochten uitgevoerd naar zware spin-0 resonanties ($X \to ZZ$) in het massabereik 200 GeV – 5 TeV en spin-1 resonanties ($Z' \to ZH$) in het bereik 500 GeV – 6 TeV.
  • Er wordt geen significante afwijking van de SM-verwachtingen waargenomen.
  • Bovenlimieten worden gesteld op $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ en $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ over de massabereiken.
• Gevoeligheidsprojecties: Projecties voor de HL-LHC suggereren dat bewijs voor $ZZ \to bb\tau\tau$ bereikt kan worden met $\sim 1$ ab$^{-1}$ en observatie met $>2,5$ ab$^{-1}$, mits de systematische onzekerheden worden verminderd. Het $ZH \to bb\tau\tau$ proces blijft uitdagender en vereist waarschijnlijk aanzienlijke verbeteringen in analysemethoden en achtergrondmodellering voor observatie.

Significantie
Het artikel vestigt de $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ processen als levensvatbare "standaardkaarsen" voor de $bb\tau\tau$-eindtoestand. Door aan te tonen dat de voor deze bekende processen ontwikkelde analysemethoden succesvol kunnen worden toegepast, valideert de studie de strategieën die nodig zijn voor de toekomstige observatie van niet-resonante Higgs-bosonpaarproductie ($HH \to bb\tau\tau$). De resultaten bieden de eerste experimentele beperkingen op $ZZ$ en $ZH$ productie in deze specifieke eindtoestand en stellen de eerste limieten op zware resonanties die naar deze toestanden vervallen, waarbij de potentiele versterkingen in koppelingen aan derde generatie fermionen worden onderzocht. De analyse bevestigt dat hoewel het $ZZ \to bb\tau\tau$ proces een toegankelijker pad naar observatie biedt dan $HH \to bb\tau\tau$ vanwege grotere dwarsdoorsneden, het nog steeds onderhevig is aan significante achtergronduitdagingen die moeten worden aangepakt om de HL-LHC dataset volledig te kunnen exploiteren.