Combination of searches for nonresonant Higgs boson pair production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$= 13 TeV

Resumo Técnico: Combinação de Buscas por Produção de Pares de Bósons de Higgs Não Ressonantes em Colisões Próton-Próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivação
Embora a descoberta do bóson de Higgs (H) em 2012 tenha confirmado o mecanismo de quebra de simetria eletrofraca, a natureza da autointeração do bóson de Higgs permanece uma questão em aberto. Medições dos acoplamentos autointerativos trilineares ($\lambda_3$) e quárticos ($\lambda_4$) são essenciais para validar o mecanismo de Brout–Englert–Higgs e investigar potenciais cenários de nova física, como setores de Higgs estendidos. Embora o acoplamento quártico seja difícil de acessar no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o acoplamento trilinear pode ser investigado diretamente através da produção nãoressonante de pares de bósons de Higgs (HH). Este artigo apresenta uma combinação de buscas para a produção nãoressonante de HH utilizando o conjunto completo de dados do Run 2 coletados pelo experimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$.

Metodologia
A análise combina resultados de múltiplos canais de decaimento e mecanismos de produção para maximizar a sensibilidade ao modificador do acoplamento autointerativo trilinear do bóson de Higgs ($\kappa_\lambda = \lambda_3/\lambda_3^{\text{SM}}$) e ao modificador de acoplamento que governa a interação entre dois bósons vetoriais e dois bósons de Higgs ($\kappa_{2V}$).

• Canais e Topologias: A combinação inclui buscas nos seguintes estados finais:
  • $HH \to bbbb$ (topologias resolvidas e boosted, incluindo produção VHH).
  • $HH \to bb\tau\tau$.
  • $HH \to bb\gamma\gamma$.
  • $HH \to bbWW$ (incluindo $WW \to \ell\nu qq/2\ell2\nu$ e $WW \to 4q$).
  • $HH \to \text{multileptons}$ ($4W, 2W2\tau, 4\tau$).
  • $HH \to \tau\tau\gamma\gamma$.
  • $HH \to bbZZ$ ($4\ell$).
  • $HH \to WW\gamma\gamma$.
  • Novos canais introduzidos nesta combinação incluem $bbWW$ (totalmente hadrônico e semi-leptônico) e $WW\gamma\gamma$.
• Modelagem de Sinal: A análise utiliza o arcabouço da Teoria de Campo Efetivo de Higgs (HEFT). As amostras de sinal para fusão de glúon-glúon (ggF) são modeladas usando um método de reponderação que parametriza as seções de choque diferenciais como uma função da massa invariante do par HH e da separação angular, permitindo varreduras sobre os modificadores de acoplamento ($\kappa_\lambda, \kappa_t, c_2, c_g, c_{2g}$). A produção por fusão de bósons vetoriais (VBF) e produção associada (VHH) são modeladas usando combinações lineares de amostras simuladas com variando os modificadores de acoplamento.
• Combinação Estatística: Uma adequação de máxima verossimilhança global é realizada utilizando o teste de razão de verossimilhança de perfil. As incertezas sistemáticas (teóricas e experimentais) são tratadas como parâmetros de perturbação (nuisance parameters). As correlações entre as análises são totalmente contabilizadas, e estratégias específicas de remoção de sobreposição são aplicadas para evitar a contagem dupla de eventos.
• Projeções: Os resultados são extrapolados para as condições do LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC), considerando luminosidades integradas de até 3000 fb$^{-1}$ e três cenários para incertezas sistemáticas.

Principais Contribuições

• Primeira Combinação de Múltiplos Canais: Este trabalho substitui resultados anteriores ao combinar um conjunto mais amplo de estados finais, incluindo as primeiras buscas para $HH \to bbWW$ no canal totalmente hadrônico e a inclusão da produção VHH no estado final $bbbb$.
• Restrições de HEFT e Modelos Completos de UV: Além dos modificadores de acoplamento padrão, a análise restringe acoplamentos anômalos ($c_2, c_g, c_{2g}$) dentro do arcabouço HEF. Essas restrições são mapeadas para modelos específicos completos de UV, incluindo extensões de singlete, Modelos de Dois Dubletos de Higgs (2HDM) e Modelos de Higgs Composto Mínimo (MCHM).
• Exclusão de $\kappa_{2V} = 0$: A análise fornece uma exclusão definitiva do cenário onde o acoplamento quártico Higgs-bóson vetorial é zero.

Resultados

• Limites de Seção de Choque: O limite observado (esperado) superior na seção de choque de produção nãoressonante inclusiva de HH é 3,5 (2,5) vezes a previsão do Modelo Padrão (SM) a 95% de nível de confiança (CL). Para a produção VBF isoladamente, o limite é 79 (91) vezes a previsão do SM.
• Modificadores de Acoplamento:
  • $\kappa_\lambda$: Assumindo valores do SM para outros acoplamentos, $\kappa_\lambda$ é restringido ao intervalo $[-1,35, 6,37]$ a 95% CL (esperado: $[-2,24, 7,89]$). O melhor valor de ajuste é 1,51.
  • $\kappa_{2V}$: O valor $\kappa_{2V} = 0$ é excluído com uma significância de 6,6 desvios padrão. A 95% CL, $\kappa_{2V}$ é restrito a $[0,64, 1,40]$ (esperado: $[0,62, 1,41]$).
  • Acoplamentos Anômalos ($c_2$): O modificador de acoplamento $c_2$ (interação entre dois quarks top e dois bósons de Higgs) é restrito a $[-0,29, 0,63]$ a 95% CL (esperado: $[-0,27, 0,56]$).
• Restrições de Modelos:
  • Extensões de Singlete: Restrições são colocadas no ângulo de mistura $\alpha$ e no acoplamento trilinear efetivo $\lambda_{\text{eff}}$.
  • 2HDM: Contornos de exclusão são derivados nos planos $(m_H, \tan\beta)$ e $(|\cos(\beta-\alpha)|, \tan\beta)$ para os modelos Tipo-I, II, X e Y.
  • MCHM: O parâmetro de compacidade $\xi$ é restrito a $[0, 0,45]$ para MCHM4 e $[0, 0,26]$ para MCHM5 a 95% CL.
• Projeções para o HL-LHC: A análise projeta que, com uma luminosidade integrada de 2000 fb$^{-1}$, o experimento CMS poderia alcançar evidência para a produção de HH (significância de 3,5$\sigma$) assumindo um sinal semelhante ao SM e incertezas sistemáticas nominais. Com 3000 fb$^{-1}$, a significância esperada sobe para 4,2$\sigma$.

Significância
Este trabalho representa os limites e restrições mais rigorosos obtidos até o momento a partir de buscas de produção nãoressonante de HH usando o conjunto de dados do Run 2 do LHC. A exclusão de $\kappa_{2V} = 0$ com mais de 5 desvios padrão marca um passo decisivo no estabelecimento da presença de interações quárticas Higgs-bóson vetorial na natureza. Os resultados são consistentes com as previsões do SM, e nenhuma desviação significativa do SM é observada. O artigo conclui que, com os dados antecipados para o HL-LHC, a observação da produção de HH está ao alcance, oferecendo um caminho crítico para compreender o potencial de Higgs e a estabilidade do vácuo eletrofraco.