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

Resumo Técnico: Medições de Seções de Choque Inclusivas e Diferenciais para a Produção e Decaimento do Bóson de Higgs para Quatro Léptons em Colisões Próton-Próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivação
A caracterização do bóson de Higgs ($H$) permanece um objetivo central na física de partículas para validar o Modelo Padrão (SM) e buscar física Além do Modelo Padrão (BSM). O canal de decaimento $H \to ZZ \to 4\ell$ (onde $\ell = e, \mu$) é um "canal de ouro" devido ao seu estado final totalmente reconstruível e à alta razão sinal-ruído. Embora medições anteriores utilizando dados da Run 1 (7 e 8 TeV) e parte da Run 2 (13 TeV) tenham estabelecido a massa, spin, paridade e propriedades inclusivas do bóson, este artigo aborda a necessidade de uma caracterização mais abrangente utilizando o conjunto completo de dados da Run 2. Especificamente, visa medir seções de choque fiduciais inclusivas e diferenciais com dependência de modelo reduzida, sondar observáveis cinemáticos sensíveis a acoplamentos anômalos e utilizar a distribuição de momento transversal ($p_T$) para restringir o autocoplamento trilinear do Higgs e os acoplamentos com quarks bottom e charm.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton registrados pelo experimento CMS no LHC durante 2016, 2017 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Seleção de Eventos: Os candidatos são selecionados exigindo quatro léptons bem identificados e isolados ($4e$, $4\mu$ ou $2e2\mu$) originados do vértice primário. Os eventos devem conter dois pares de léptons de mesmo sabor e sinais opostos formando candidatos de bóson $Z$ ($Z_1$ e $Z_2$) com massas invariantes dentro de intervalos específicos ($40 < m_{Z1} < 120$ GeV e $12 < m_{Z2} < 120$ GeV). A massa invariante de quatro léptons ($m_{4\ell}$) deve estar entre 105 e 160 GeV.
• Espaço de Fase Fiducial: Para minimizar a dependência de modelos teóricos, as seções de choque são medidas dentro de um espaço de fase fiducial definido no nível do gerador. Esta região mimetiza de perto a aceitação experimental, incluindo requisitos sobre a cinemática dos léptons, isolamento e topologia do evento.
• Modelagem de Sinal e Background: As amostras de sinal para os cinco principais mecanismos de produção (fusão de gluons, fusão de bósons vetoriais, produção associada com bósons vetoriais e produção associada com quarks top) são simuladas em ordem de vizinhança próxima (NLO) ou superior. Os backgrounds irredutíveis (produção $ZZ$) são estimados usando simulação com correções NNLO, enquanto os backgrounds redutíveis ($Z$+jets, $t\bar{t}$+jets, etc.) são estimados usando um método "matriz" baseado em dados para a taxa de má identificação de léptons.
• Extração Estatística: As seções de choque inclusivas e diferenciais são extraídas via um ajuste de máxima verossimilhança à distribuição observada de $m_{4\ell}$. O ajuste contabiliza simultaneamente as formas de sinal e background, tratando as frações de ramificação de diferentes estados finais como parâmetros não restritos para aumentar a independência de modelo. Os efeitos do detector são desdobrados (unfolded) para o espaço de fase fiducial usando matrizes de resposta derivadas de simulação.
• Observáveis: A análise mede seções de choque diferencialmente em bins de:
  • Cinemática de produção: Momento transversal do Higgs ($p_T^H$), rapidez ($|y_H|$), multiplicidade de jatos ($N_{jets}$) e cinemática de jatos ($p_T^{j1}, p_T^{j2}, m_{jj}, \Delta\eta_{jj}, \Delta\phi_{jj}$).
  • Cinemática de decaimento: Massas invariantes dos candidatos $Z$ ($m_{Z1}, m_{Z2}$) e cinco variáveis angulares ($\theta^*, \theta_1, \theta_2, \Phi, \Phi_1$).
  • Discriminantes de elemento de matriz: Seis discriminantes cinemáticos sensíveis a acoplamentos anômalos HVV ($a_3, a_2, \Lambda_1, \Lambda_{Z\gamma}$) e termos de interferência.
  • Medições duplo-diferenciais: Combinações dos observáveis acima para maximizar a cobertura do espaço de fase.

Principais Contribuições

• Medições de Precisão: Este trabalho apresenta as primeiras medições de seções de choque fiduciais inclusivas e diferenciais para $H \to ZZ \to 4\ell$ utilizando o conjunto completo de dados da Run 2 ($138 \text{ fb}^{-1}$).
• Redução de Incerteza Sistemática: Um novo método para estimar incertezas sistemáticas em medições de eficiência de elétrons é introduzido, utilizando uma abordagem de raiz quadrada de variações de ajuste tag-and-probe alternativas. Isso reduz a principal incerteza sistemática (eficiência de reconstrução e seleção de elétrons) em aproximadamente 40% em comparação com análises anteriores.
• Cobertura Cinemática Abrangente: O artigo fornece um conjunto completo de medições diferenciais, incluindo seis seções de choque duplo-diferenciais, cobrindo todo o espaço de fase fiducial e separando estados finais de mesmo sabor e de sabores diferentes para contabilizar efeitos de interferência.
• Novas Restrições: A análise deriva restrições sobre o autocoplamento trilinear do Higgs ($\kappa_\lambda$) e os modificadores de acoplamento para quarks bottom ($\kappa_b$) e charm ($\kappa_c$) diretamente da distribuição de $p_T^H$, oferecendo uma abordagem complementar às restrições anteriores derivadas de seções de choque de templates simplificados (STXS) ou combinações de canais de decaimento.

Resultados

• Seção de Choque Inclusiva: A seção de choque fiducial inclusiva medida é $\sigma_{\text{fid}} = 2.73 \pm 0.26 \text{ fb}$ (incertezas estatística e sistemática combinadas), o que está em concordância com a expectativa do SM de $2.86 \pm 0.15 \text{ fb}$. A incerteza total é reduzida em 15% em comparação com medições anteriores, principalmente devido à melhoria na incerteza de eficiência de elétrons.
• Medições Diferenciais: Todas as seções de choque diferenciais medidas como funções de $p_T^H$, $|y_H|$, observáveis de jatos e ângulos de decaimento são consistentes com as previsões do SM dentro das incertezas. Os valores-$p$ para a compatibilidade dos dados com as previsões do SM variam de 0,05 a 0,99.
• Acoplamentos Anômalos: As medições de discriminantes de elementos de matriz sensíveis a acoplamentos anômalos HVV não mostram desvios significativos da hipótese do SM. Os dados favorecem as previsões do SM sobre vários cenários BSM.
• Restrições de Acoplamento:
  • Autocoplamento Trilinear ($\kappa_\lambda$): O intervalo observado ao nível de confiança (CL) de 95% é $-5.4 < \kappa_\lambda < actually 14.9$, com um intervalo esperado de $-7.6 < \kappa_\lambda < 17.7$.
  • Acoplamentos Bottom e Charm ($\kappa_b, \kappa_c$): Assumindo que a fração de ramificação depende destes acoplamentos, os limites observados ao CL de 95% são $-1.1 < \kappa_b < 1.1$ e $-5.3 < \kappa_c < 5.2$. Estas restrições superam os resultados anteriores relatados apenas para o canal $H \to ZZ \to 4\ell$.

Significância
O artigo afirma que estes resultados fornecem uma caracterização abrangente e independente de modelo da produção e decaimento do bóson de Higgs no canal $4\ell$. Ao utilizar o conjunto completo de dados da Run 2 e técnicas de calibração aprimoradas, a análise alcança uma redução significativa nas incertezas sistemáticas, particularmente em relação à identificação de elétrons. As medições diferenciais oferecem um teste detalhado das previsões do SM através de várias regiões cinemáticas, enquanto as restrições derivadas do autocoplamento trilinear e dos acoplamentos com quarks representam um passo importante para a compreensão do potencial do Higgs e suas interações com férmions. Todos os resultados são consistentes com o Modelo Padrão, reforçando o atual arcabouço teórico enquanto estabelecem limites rigorosos para potenciais efeitos de física BSM neste canal de decaimento específico.