Measurement of the Higgs boson decay to a low-mass dilepton system and a photon in $pp$ collisions at $\sqrt{s} =$ 13 and 13.6 TeV with the ATLAS detector

Technische Samenvatting: Meting van het verval van het Higgsboson naar een laag-massadileptonsysteem en een foton in $pp$-botsingen bij $\sqrt{s}=13$ en 13,6 TeV met de ATLAS-detector

Probleem en Motivatie
Het Standaardmodel (SM) voorspelt dat het Higgsboson kan vervallen in een foton en een paar leptonen ($H \to \ell\ell\gamma$, waarbij $\ell = e, \mu$), primair via loop-geïnduceerde processen. Dit verval kanaal, specifiek in het gebied met een lage invariante massa van het dileptonsysteem ($m_{\ell\ell} < 30$ GeV), wordt gedomineerd door het $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$ proces. Hoewel de vertakkingsratio (branching ratio) ongeveer 5% is van de $H \to \gamma\gamma$ snelheid, is de experimentele observatie uitdagend vanwege de lage massa van het dileptonpaar en de hoge transversale impuls van het systeem, wat kan leiden tot het samensmelten van elektromagnetische showers van elektronen in de calorimeter.

Deze analyse beoogt de signaalsterkte van het $H \to \ell\ell\gamma$ proces te meten in de regio $m_{\ell\ell} < 30$ GeV. Deze meting vormt een aanvulling op eerdere zoektochten naar $H \to Z\gamma$ (waarbij $m_{\ell\ell} > 30$ GeV) en biedt een unieke probe voor de loop-geïnduceerde Higgs-foton interactie, onafhankelijk van de Higgs-productie-doorsnede. Bovendien biedt de niet-nul virtualiteit van het tussenliggende foton ($\gamma^*$) gevoeligheid voor potentiële effecten van nieuwe fysica en maakt het de studie van de CP-eigenschappen van het Higgsboson via de voorwaartse-achterwaartse asymmetrie mogelijk.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsgegevens verzameld door de ATLAS-detector bij de Large Had Hadron Collider (LHC).

• Gegevenssets: De primaire dataset komt overeen met een geïntegreerde luminositeit van 164 fb$^{-1}$ verzameld bij $\sqrt{s} = 13,6$ TeV tijdens 2022–2024 (Run 3). Deze resultaten worden gecombineerd met een eerdere analyse met 139 fb$^{-1}$ bij $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018).
• Event Selectie: Events worden geselecteerd door een foton en een paar leptonen van hetzelfde type met een tegengestelde lading te vereisen ($e^+e^-$ of $\mu^+\mu^-$). De invariante massa van het dilepton wordt beperkt tot $m_{\ell\ell} < 30$ GeV, en de driedelige invariante massa $m_{\ell\ell\gamma}$ moet binnen het Higgs-massavenster (110–160 GeV) liggen.
• Object Reconstructie:
  • Samengesmolten Dielektronen: Een aanzienlijke uitdaging in het $ee\gamma$ kanaal is de overlap van elektron-showers. Een toegewezen Boosted Decision Tree (BDT) algoritme, getraind met LightGBM, is ontwikkend om "samengesmolten dielektronen" kandidaten te identificeren waarbij twee tracks worden gematcht aan een enkele calorimeter cluster. Dit algoritme verbetert de signalefficiëntie met ongeveer 5% ten opzichte van eerdere cut-gebaseerde methoden terwijl de achtergrondrejectie behouden blijft.
  • Triggers: Een combinatie van single-lepton, dilepton, single-photon, diphoton en lepton+photon triggers werd toegepast, met specifieke lage drempelwaarden aangevuld met hogere $p_T$ triggers om de efficiëntie bij hoge instantane luminositeit te handhaven.
• Categorisering: Geselecteerde events worden verdeeld in negen onderling uitsluitende categorieën gebaseerd op lepton-smaak ($\mu\mu$, resolved $ee$, merged $ee$) en event-topologie:
  1. VBF: Events met twee forward jets die voldoen aan specifieke kinematische criteria ($m_{jj} > 500$ GeV, $|\Delta\eta_{jj}| > 2,7$).
  2. High $p_{Tt}$: Events die niet voldoen aan de VBF-criteria maar een hoge transversale impuls projectie vertonen op de $\ell\ell\gamma$ thrust-as ($p_{Tt} > 100$ GeV).
  3. Low $p_{Tt}$: Alle overige events.
• Signaal- en Achtergrondmodellering:
  • Signaal: Gemodelleerd met een double-sided Crystal Ball (DSCB) functie afgeleid van Monte Carlo (MC) simulaties van $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$.
  • Achtergrond: De dominante achtergrond is de irreducibele niet-resonante $\ell\ell\gamma$ productie. De vorm ervan wordt gemodelleerd met parametrische functies (exponenten, polynomen of machtswetten) die zijn geselecteerd via een spurious signal studie. Resonante achtergronden van $H \to \gamma\gamma$ (waarbij één foton converteert) en fake leptonen/fotonen worden geschat met data-gedreven technieken en MC-templates.
• Statistische Analyse: Een simultane unbinned maximum-likelihood fit wordt uitgevoerd op de $m_{\ell\ell\gamma}$ distributies over alle negen categorieën. Systematische onzekerheden (experimenteel en theoretisch) worden opgenomen als nuisance parameters.

Belangrijkste Bijdragen

1. Run-3 Meting: Dit artikel presenteert de eerste meting van $H \to \ell\ell\gamma$ met de volledige 164 fb$^{-1}$ dataset bij $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
2. Merged Dielectron Identificatie: De ontwikkeling en toepassing van een BDT-gebaseerd identificatie-algoritme voor samengesmolten dielektronen kandidaten verhoogt de sensitiviteit van het $ee\gamma$ kanaal aanzienlijk, wat de verwachte significantie met 5% verbetert ten opzichte van eerdere cut-gebaseerde benaderingen.
3. Gecombineerde Analyse: De resultaten worden gecombineerd met de Run-2 analyse, wat de meest nauwkeurige meting van deze vervalmodus tot nu toe oplevert, met verbeterde statistische kracht en verminderde systematische onzekerheden door de combinatie van datasets met verschillende zwaartekrachtenergieën en detectorcondities.

Resultaten

• Alleen Run-3 (13,6 TeV):
  • De geobserveerde signaalsterkte parameter ($\mu$), gedefinieerd als de ratio van de geobserveerde opbrengst tot de SM-verwachting, wordt gemeten als $\mu = 0,64^{+0,44}_{-0,39}$.
  • De verwachte signaalsterkte is $\mu = 1,00^{+0,47}_{-0,41}$.
  • De geobserveerde (verwachte) significantie boven de achtergrond-alleen hypothese is 1,7$\sigma$ (2,5$\sigma$).
  • De gemeten doorsnede maal vertakkingsratio is $4,1^{+2,8}_{-2,5}$ fb.
• Gecombineerd Run-2 en Run-3:
  • De gecombineerde geobserveerde signaalsterkte is $\mu = 1,03^{+0,35}_{-0,32}$.
  • De gecombineerde verwachte signaalsterkte is $\mu = 1,00^{+0,34}_{-0,32}$.
  • De gecombineerde geobserveerde (verwachte) significantie is 3,4$\sigma$ (3,3$\sigma$).
  • Het resultaat is consistent met de Standard Model voorspelling ($p$-waarde van 0,41 voor de Run-3 fit).

Significantie
Het artikel rapporteert een Run-2 resultaat met een significantie van 3,2$\sigma$ als "evidence" voor het $H \to \ell\ell\gamma$ proces. De nieuwe Run-3 meting levert een geobserveerde significantie van 1,7$\sigma$, terwijl de combinatie van Run-2 en Run-3 data een geobserveerde significantie van 3,4$\sigma$ oplevert. Dit gecombineerde resultaat is consistent met de Standard Model voorspelling en vertegenwoordigt de meest nauwkeurige meting van deze vervalmodus tot nu toe. De meting valideert de SM-voorspelling voor dit zeldzame, loop-geïnduceerde vervalkaal en demonstreert het vermogen van de ATLAS-detector om complexe eindtoestanden te reconstrueren die samengesmolten elektromagnetische showers bevatten. Bovendien biedt het een complementaire test van de Higgs-foton interactie loop-structuur en legt het een basis voor toekomstige precisie-metingen en zoektochten naar nieuwe fysica in het laag-massa dilepton spectrum.