Combined measurements and interpretations of Higgs boson production and decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Medições Combinadas e Interpretações da Produção e Decaimento do Bóson de Higgs em Colisões Próton-Próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Escopo
Este artigo apresenta o estudo mais abrangente das propriedades do bóson de Higgs realizado pela Colaboração CMS até o momento. Relata uma combinação estatística de medições relativas às taxas de produção e decaimento do bóson de Higgs utilizando dados de colisões próton-próton coletados entre 2016 e 2018 a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$. A análise visa caracterizar as interações do bóson de Higgs com partículas do Modelo Padrão (SM) com alta precisão, testar a validade do SM e restringir potenciais físicas Além do Modelo Padrão (BSM). O estudo abrange sete canais de decaimento ($H \to \gamma\gamma, ZZ, WW, \tau\tau, bb, \mu\mu, Z\gamma$), buscas por decaimentos invisíveis e medições de produção off-shell.

Metodologia
A combinação estatística integra até 1951 categorias de eventos de 19 análises de entrada. Estas análises visam vários mecanismos de produção: fusão de glúons (ggH), fusão de vetores bosônicos (VBF), produção associada com vetores bosônicos (VH), produção associada com quarks top (ttH) e produção associada com um único quark top (tH).

• Estrutura Estatística: A combinação utiliza um teste de razão de verossimilhança de perfil (profile likelihood ratio). A função de verossimilhança é construída como um produto de verossimilhanças sobre regiões de análise mutuamente exclusivas (regiões de sinal e de controle), restringidas por parâmetros de perturbação (NPs) que representam incertezas sistemáticas.
• Parametrização do Sinal: O estudo utiliza múltiplos modelos de parametrização para extrair resultados:
  • Forças de Sinal ($\mu$): Medidas nos níveis inclusivo, por produção, por decaimento e por produção e decaimento.
  • Seções de Choque de Modelos de Template Simplificados (STXS): As medições são realizadas em dois níveis de granularidade. O Estágio 0 define seções de choque para processos de produção inclusiva dentro de uma região fiducial ($|y_H| < 2.5$). O Estágio 1.2 particiona o espaço de fase com base em propriedades cinemáticas (ex: $p_T^H$, multiplicidade de jatos, massa de dijatos) para isolar regiões sensíveis a efeitos BSM e reduzir incertezas teóricas.
  • Modificadores de Acoplamento ($\kappa$): As interpretações são fornecidas no framework $\kappa$, escalando seções de choque de produção e larguras de decaimento. Tanto modelos de loop "resolvidos" (distinguindo contribuições de quarks top e bottom) quanto modelos de loop "efetivos" são testados.
  • Teoria de Campo Efetivo (SMEFT): Restrições são aplicadas aos coeficientes de Wilson (WCs) usando parametrizações lineares e lineares-mais-quadráticas. Uma Análise de Componentes Principais (PCA) é usada para identificar combinações lineares de WCs que podem ser simultaneamente restringidas.
• Incertezas Sistemáticas: Incertezas teóricas (correções QCD/EW, PDFs, $\alpha_S$) e incertezas experimentais (luminosidade, escalas de energia de léptons/jatos, b-tagging, pileup) são tratadas como NPs. Uma estratégia de poda (pruning) é aplicada para reduzir a complexidade do modelo sem afetar significativamente os resultados.
• Dados de Entrada: A combinação inclui novas medições não presentes em combinações CMS anteriores, tais como VBF $H \to bb$, produção de alto $p_T$ $H \to bb$, produção off-shell $H \to ZZ \to 4\ell$ e decaimentos invisíveis via ttH/VH.

Contribuições Principais

• Primeira Combinação STXS do CMS: Este artigo apresenta a primeira medição combinada de STXS do CMS, fornecendo medições granulares de seção de choque através de 32 regiões cinemáticas no Estágio 1.2.
• Canais de Decaimento Expandidos: Incorpora as primeiras medições de $H \to bb$ via VBF e produção de alto $p_T$, e inclui buscas por decaimentos invisíveis e produção off-shell para restringir a largura de decaimento total.
• Interpretações Abrangentes: Os resultados são interpretados dentro do framework de modificadores de acoplamento (incluindo restrições no autocoplamento trilinear do Higgs via correções NLO EW) e no framework SMEFT, fornecendo restrições sobre 43 coeficientes de Wilson e 17 componentes principais.

Resultados

• Força de Sinal Inclusiva: O rendimento de sinal inclusivo de melhor ajuste é medido como $1.014^{+0.055}_{-0.053}$ vezes a expectativa do SM. O resultado mostra boa compatibilidade com o SM ($p_{SM} = 0.80$).
• Canais de Produção e Decaimento:
  • Medições por produção mostram uma pequena tensão com o SM ($p_{SM} = 0.02$), impulsionada principalmente por um excesso no processo de produção $tH$($\mu_{tH} \approx 5.9$) e valores elevados para $WH$e$ZH$.
  • Medições por decaimento mostram melhor compatibilidade ($p_{SM} = 0.33$), com os maiores desvios em $\mu_{\tau\tau}$ e $\mu_{Z\gamma}$, embora consistentes com o SM dentro de 95% CL.
  • A precisão na força de sinal de $H \to bb$ melhorou significativamente (intervalo de 68% CL de $\pm 15\%$) em comparação com combinações anteriores.
• Medições STXS:
  • Seções de choque de Estágio 0 mostram uma tensão com o SM ($p_{SM} = 0.012$), impulsionada por excessos nas regiões de alto $p_T$ leptônico de $tH$e$VH$.
  • Medições de Estágio 1.2 revelam desvios em regiões cinemáticas específicas, notadamente na produção leptônica de $WH$e$ZH$ em $p_T^V > 250$ GeV (excedendo o SM em $\sim 2.1-2.2\sigma$) e no bin de alto $p_T$ de $ggH$($450 < p_T^H < 650$ GeV). A compatibilidade geral para o Estágio 1.2 é $p_{SM} = 0.06$.
• Modificadores de Acoplamento:
  • Ajustes de loop resolvidos produzem modificadores de acoplamento consistentes com o SM ($p_{SM} = 0.12$). Acoplamentos de bósons vetoriais ($\kappa_W, \kappa_Z$) são medidos com precisão de $\sim 6\%$; acoplamentos de férmions de terceira geração ($\kappa_t, \kappa_b, \kappa_\tau$) com $\sim 6-12\%$; e $\kappa_\mu$ com $\sim 20\%$.
  • Os dados restringem a largura total do bóson de Higgs e estabelecem limites em frações de branching invisíveis.
• Restrições SMEFT:
  • Coeficientes de Wilson individuais são restringidos, com os limites mais rigorosos em $c_{HG}$ e $c_{HB}$ (sondando escalas de nova física $\Lambda \sim 15$ TeV).
  • Um desvio do SM é observado no coeficiente $c^{(3)}_{Hq}$ ($p_{SM} = 0.01$), correlacionando-se com os excessos na produção de VH de alto $p_T$.
  • A PCA identifica 17 autovetores restringidos, sendo a direção mais sensível impulsionada por $ggH no canal $H \to \gamma\gamma$. Os resultados gerais de SMEFT são compatíveis com o SM ($p_{SM} = 0.11$).

Significância
O artigo afirma representar a caracterização mais abrangente e granular do bóson de Higgs pela Colaboração CMS. Ao combinar uma ampla gama de canais de decaimento e modos de produção, incluindo processos raros e contribuições off-shell, a análise reduz significativamente as incertezas estatísticas e fornece um teste robusto do SM. A introdução das medições STXS Estágio 1.2 permite uma visão mais diferencial das propriedades do Higgs, isolando regiões onde efeitos BSM podem se manifestar. Os resultados geralmente apoiam as previsões do SM, embora excessos cinemáticos específicos (particularmente em $tH$ e alto $p_T$ de $VH$) exijam investigação adicional. As restrições fornecidas sobre os modificadores de acoplamento e parâmetros SMEFT servem como entradas críticas para ajustes globais e construção de modelos teóricos. Todos os resultados tabulados são disponibilizados via HEPData para facilitar a reinterpretação.