Search for exotic Higgs boson decays H $\to$ $\mathcal{AA}$ with $\mathcal{AA}$ $\to$ $\gamma\gamma$ in events with a semi-merged topology in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Busca por Decaimentos Exóticos do Bóson de Higgs $H \to AA$ com $A \to \gamma\gamma$ em Topologias Semi-Mescladas

Problema e Motivação
A busca por física além do Modelo Padrão (BSM) tem se concentrado cada vez mais em decaimentos exóticos do bóson de Higgs, especificamente o processo $H \to AA$, onde $A$ é uma partícula hipotética leve de spin 0. Embora buscas anteriores tenham coberto com sucesso o regime totalmente resolvido ($m_A \gtrsim 15$ GeV), onde ambos os bósons $A$ decaem em dois fótons distintos, e o regime totalmente mesclado ($m_A \lesssim 1$ GeV), onde ambos os bósons $A$ decaem em pares de fótons altamente colimados reconstruídos como objetos únicos, uma lacuna significativa existia na faixa de massa intermediária de $1 < m_A < 15$ GeV.

Nesta faixa de massa "semi-mesclada", a cinemática do decaimento $H \to AA \to 4\gamma$ apresenta um desafio de reconstrução. Um bóson $A$ decai em dois fótons bem separados, resolvidos, enquanto o outro bóson $A$ decai em um par de fótons que estão ou fisicamente mesclados no calorímetro eletromagnético (ECAL) ou onde o fóton secundário cai abaixo do limiar padrão de reconstrução ($p_T > 10$ GeV). Consequentemente, o estado final aparece como três objetos do tipo fóton: dois fótons resolvidos e um candidato a fóton "mesclado". A reconstrução da massa invariante tradicional é impossível para a perna mesclada usando a cinemática de objetos padrão, necessitando de uma abordagem inovadora para inferir diretamente a massa da partícula mãe $A$ a partir dos padrões de depósito de energia no calorímetro.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo experimento CMS em $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018).

• Seleção de Eventos: Os eventos são disparados (triggered) em um sistema diphoton com uma massa invariante $> 55$ GeV. A seleção exige exatamente três candidatos a fóton reconstruídos na região do barril do ECAL ($|\eta| < 1.44$). Os dois fótons de maior $p_T$ devem satisfazer $p_T > 30$ GeV e $18$ GeV, respectivamente. A massa triphoton ($m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$) é restringida à janela $90 < m_{\Gamma\Gamma\Gamma} < 180$ GeV para abranger o sinal do bóson de Higgs.
• Classificação de Topologia: Os três fótons são agrupados em dois candidatos: um candidato "resolvido" ($A_2$) formado pelos dois fótons mais próximos, e um candidato "mesclado" ($A_1$) formado pelo terceiro fóton.
• Regressão de Massa via Redes Neurais de Grafos (GNN): Para reconstruir a massa do candidato mesclado ($m_{A1}$), a análise emprega uma técnica de aprendizado profundo de ponta a ponta. Diferente de abordagens anteriores utilizando Redes Neurais Convolucionais (CNNs), esta análise utiliza uma Rede Neural de Grafos (especificamente uma Rede de Redução Dinâmica).
  • Entrada: A entrada consiste em uma matriz de $128 \times 128$ de depósitos de energia de cristais do ECAL ao redor do cristal semente do candidato mesclado. As características de entrada incluem componentes de energia transversal ($E_T$) e longitudinal ($E_z$), bem como coordenadas de posição do cristal ($x, y, z$).
  • Arquitetura: A rede utiliza módulos EdgeConv para construir grafos dinamicamente baseados em espaços de características aprendidos, utilizando invariância de permutação para lidar com a natureza não ordenada dos depósitos de cristais. Conexões residuais e camadas de pooling reduzem progressivamente o tamanho do grafo para um único nó de saída que prevê a massa.
  • Treinamento e Calibração: O modelo é treinado em amostras simuladas de $A \to \gamma\gamma$ com distribuições planas em massa e $p_T$. Para lidar com efeitos de borda e distinguir o sinal do fundo (fótons únicos), o conjunto de treinamento inclui amostras de fótons únicos atribuídas a massas alvo negativas ("continuação de domínio"). A resposta de regressão é calibrada usando eventos $Z \to e^+e^-$, onde elétrons servem como um proxy para chuvas de fótons mesclados, com correções aplicadas para diferenças de escala e resolução entre dados e simulação.
• Modelagem de Sinal e Fundo:
  • Sinal: Um template 2D das massas reconstruídas ($m_{A1}$ vs. $m_{A2}$) é construído a partir de eventos de sinal simulados em pontos de massa discretos ($m_A = 1, 3, 5, 10, 15$ GeV). Massas intermediárias são interpoladas.
  • Fundo: O modelo de fundo é derivado inteiramente de dados usando regiões de sideband tanto na massa triphoton ($m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$) quanto no plano de massa 2D. A forma do fundo na região de sinal é estimada como uma combinação linear de formas de sidebands de baixa e alta $m_{\Gamma\Gamma\Gamma}$, normalizada usando regiões fora da diagonal do plano de massa 2D para evitar contaminação de sinal.

Principais Contribuições

1. Técnica de Reconstrução Inovadora: O artigo introduz a aplicação de uma Rede Neural de Grafos para a regressão de massa de candidatos diphoton semi-mesclados no detector CMS. Esta abordagem aproveita a granularidade total dos depósitos de energia do ECAL, superando as CNNs tradicionais ao lidar naturalmente com simetrias de rotação e estruturas de dados esparsas.
2. Preenchimento da Lacuna de Massa: Esta análise visa com sucesso a faixa de massa $1 < m_A < 15$ GeV, uma região anteriormente inacessível às buscas do CMS devido às limitações das topologias totalmente resolvidas ou totalmente mescladas.
3. Estimativa de Fundo Baseada em Dados: A metodologia emprega uma estratégia de estimativa de fundo robusta e totalmente baseada em dados usando sidebands 2D, minimizando a dependência de processos de fundo simulados que são difíceis de modelar com precisão para eventos QCD multijet e $\gamma$+jet nesta topologia específica.

Resultados
A análise não encontra nenhum excesso estatisticamente significativo de eventos sobre a expectativa do fundo do Modelo Padrão na faixa explorada. Consequentemente, limites superiores são estabelecidos para o produto da seção de choque de produção do Bóson de Higgs e a fração de ramificação, $\sigma(pp \to H) \times \mathcal{B}(H \to AA \to 4\gamma)$, ao nível de confiança de 95% (CL).

• Limites: Os limites superiores observados variam de 0,264 pb em $m_A = 1$ GeV a 0,005 pb em $m_A = 15$ GeV.
• Comparação: Estes resultados representam os limites mais rigorosos até o momento na faixa de massa de 1–5 GeV. Especificamente, em $m_A = 3$ GeV, o limite observado é aproximadamente 100 vezes mais rigoroso que os resultados anteriores do ATLAS. A sensibilidade é ligeiramente reduzida nas massas mais baixas em comparação com a busca de fusão total do CMS (devido à dominância da topologia totalmente mesclada ali) e nas massas mais altas (devido aos menores rendimentos de eventos e maiores incertezas de fundo), mas a abordagem semi-mesclada fornece cobertura contínua em todo o espectro.

Significância
O artigo afirma que esta busca fornece a primeira medição do experimento CMS na faixa de $m_A = 1–15$ GeV para o canal $H \to AA \to 4\gamma$. Ao desenvolver e validar uma técnica de regressão de massa baseada em aprendizado profundo, a análise demonstra a viabilidade de investigar decaimentos exóticos de Higgs em topologias onde a reconstrução padrão falha. Os resultados restringem significativamente modelos BSM envolvendo pseudoscalares leves, como Modelos de Dois Dubletos de Higgs mais um singlete (2HDM+S) e cenários de produção de partículas do tipo axion, particularmente na região de baixa massa onde os limites anteriores eram mais fracos. O trabalho estabelece um novo padrão para a busca de assinaturas semi-mescladas em física de altas energias.