Searches for resonant and nonresonant multi-Higgs production in ATLAS and CMS

Resumo Técnico: Buscas por Produção de Multi-Higgs Ressonante e Nãoressonante no ATLAS e CMS

Problema e Motivação
A medição dos autoacoplamentos do bóson de Higgs é um objetivo físico primário do programa do Large Hadron Collider (LHC), pois esses acoplamentos definem a forma do potencial de Higgs e oferecem sensibilidade à física além do Modelo Padrão (BSM). O autoacoplamento trilinear é investigado via produção de di-Higgs ($HH$), que possui uma seção de choque aproximadamente $10^3$ vezes menor que a produção de Higgs único. O acoplamento quártico é acessível através da produção de tri-Higgs ($HHH$), com uma seção de choque cerca de $5 \times 10^2$ vezes menor que a de di-Higgs. Adicionalmente, buscas ressonantes por escalares pesados que decaem para pares de Higgs ou um Higgs e um novo escalar são motivadas por vários modelos BSM. O artigo apresenta resultados recentes das colaborações ATLAS e CMS cobrindo tanto a produção de multi-Higgs ressonante quanto nãoressonante em diversos estados finais, utilizando dados do LHC Run 2 ($\sqrt{s} = 13$ TeV) e início do Run 3 ($\sqrt{s} = 13,6$ TeV).

Metodologia
As análises empregam técnicas avançadas de aprendizado de máquina e estratégias otimizadas para separar processos de sinal raros de backgrounds dominantes. As principais abordagens metodológicas incluem:

• Buscas de Di-Higgs ($HH$):

  • $HH \to b\bar{b}\gamma\gamma$: O ATLAS utilizou uma combinação de dados totais do Run 2 e parciais do Run 3 (308 fb$^{-1}$), empregando Árvores de Decisão Potencializadas (BDTs) treinadas em regiões cinemáticas definidas pela massa invariante $b\bar{b}\gamma\gamma$. As regiões de sinal (SRs) foram definidas com base nos outputs dos BDTs, e um ajuste simultâneo da distribuição de $m_{\gamma\gamma}$ através de 14 SRs exclusivas foi realizado. O CMS analisou 62 fb$^{-1}$ de dados do Run 3 usando duas abordagens: um ajuste 1D ($m_{\gamma\gamma}$ apenas) e um ajuste 2D ($m_{\gamma\gamma}$ e $m_{b\bar{b}}$). Ambos utilizaram métodos multivariados de multiclasse para construir SRs "resolvidas" e "potencializadas" (boosted).
  • $HH \to WWbb$: O CMS analisou 62 fb$^{-1}$ de dados do Run 3, categorizando os sinais de fusão de gluão-gluão (ggF) e fusão de bóson vetorial (VBF) em SRs resolvidas e potencializadas com base na contagem de jatos com marcação de $b$ (b-tagged). Redes neurais binárias e de multiclasse (NNs) foram usadas para separar o sinal dos backgrounds ($t\bar{t}$, $t$, $DY$).
  • Produção $t\bar{t}HH$: O ATLAS realizou a primeira busca para este processo usando 196 fb$^{-1}$ (dados de 2015–2023). Três assinaturas foram visadas: leptão único ($1L$), leptões de mesmo sinal/multileptões ($SSML$) e$b\bar{b}\gamma\gamma$. NNs do tipo Transformer foram aplicadas às categorias $1L$ e $SSML$, enquanto BDTs foram usadas para a categoria $b\bar{b}\gamma\gamma$. A extração do sinal envolveu ajustes simultâneos dos outputs de NN e das distribuições de $m_{\gamma\gamma}$.
  • Combinações: Análises independentes do ATLAS e CMS foram combinadas para maximizar a sensibilidade, resultando nos limites mais rigorosos até o momento.

• Buscas de Tri-Higgs ($HHH$):

  • CMS buscou por $HHH \to 6b$ usando 138 fb$^{-1}$ de dados do Run 2. Dada a baixa eficiência de reconstrução (apenas $\sim25\%$ dos eventos possuem três bósons de Higgs reconstruídos), a análise utilizou SPANet para classificar eventos em sinal ($HHH$) e background ($HH$, $t\bar{t}$, QCD). Uma camada adicional de SPANet categorizou os eventos de sinal em SRs baseadas no número de bósons de Higgs resolvidos ($h$) ou potencializados ($bh$).

• Buscas Ressonantes:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Analisou dados do Run 2 e Run 3 (140 + 59 fb$^{-1}$) usando redes neurais parametrizadas (PNNs) em regiões com um ou dois jatos com marcação de $b$ para cobrir um amplo espaço de parâmetros de massa para escalares pesados $X$ e $S$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ e $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Usou dados do Run 2 (138 fb$^{-1}$) com BDTs parametrizadas em SRs com 0, 1 ou 2 jatos de grande raio para sondar várias hipóteses de massa para $X$ e $Y$.

Principais Resultados

• Di-Higgs Nãoressonante ($HH$):

  • ATLAS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): A força do sinal foi medida como $\mu_{HH} = 0,9^{+1,3}_{-1,0}(\text{estat.})^{+0,6}_{-0,5}(\text{sist.})$, consistente com o Modelo Padrão (SM). A significância observada (esperada) foi de 0,84 (1,01) $\sigma$. Limites superiores foram estabelecidos em $\mu_{HH} < 3,8$ (observado) e $\mu_{HH} < 3,7$ (esperado). As restrições nos modificadores de acoplamento foram $\kappa_\lambda = 2,7^{+2,3}_{-3,0}$ e $\kappa_{2V} = 1,6^{+0,6}_{-1,9}$.
  • CMS ($b\bar{b}\gamma\gamma$): Usando a abordagem de ajuste 2D, os limites superiores observados (esperados) foram $\mu_{HH} < 11$ (7,3). O modificador $\kappa_\lambda$ foi restringido ao intervalo $-6,1 < \kappa_\lambda < 12,8$.
  • CMS ($WWbb$): O limite superior observado (esperado) na força do sinal foi 12,7 (18,6). As restrições foram $\kappa_\lambda \in [-9,7, 15,8]$ e $\kappa_{2V} \in [-0,27, 2,32]$.
  • ATLAS ($t\bar{t}HH$): O limite superior observado (esperado) na força do sinal foi $\mu_{HH} < 20$ (21). O coeficiente de Wilson $c_{t\bar{t}HH}$ foi restringido a $[-3,9, 3,4]$.
  • Combinação ATLAS/CMS: A combinação de análises independentes rendeu os limites mais rigorosos até o momento: $\mu_{HH}^{\text{observado(esperado)}} < 2,5(1,7)$, com as restrições mais apertadas em $\kappa_\lambda$ e $\kappa_{2V}$.

• Tri-Higgs Nãoressonante ($HHH$):

  • CMS ($6b$): A análise forneceu o melhor limite até o momento sobre a produção de tri-Higgs, com $\mu_{HHH}^{\text{observado(esperado)}} < 588(572)$. O modificador do acoplamento quártico foi restringido como $|\kappa_4| < 190$.

• Buscas Ressonantes:

  • ATLAS ($X \to S(bb)H(\gamma\gamma)$): Nenhum excesso significativo foi relatado; a maior significância local foi da ordem de 2$\sigma$.
  • CMS ($X \to H(ZZ)H(bb)$ e $X \to Y(ZZ)H(bb)$): Limites superiores nas seções de choque de produção foram estabelecidos, sendo comparáveis aos de estados finais mais sensíveis como $H \to \gamma\gamma$ e $H \to \tau\tau$.

Significância e Perspectivas
O artigo destaca que as colaborações ATLAS e CMS atingiram um nível de maturidade nas análises do Run 2, permitindo combinações abrangentes que aumentam significativamente a sensibilidade. A integração de dados do Run 3 e a aplicação de aprendizado de máquina de ponta (incluindo redes neurais do tipo Transformer, SPANet e PNNs) melhoraram a capacidade de sondar esses processos raros. Embora os resultados atuais sejam consistentes com o Modelo Padrão, os esforços contínuos estão pavimentando o caminho para as projeções do High-Luminosity LHC, que antecipam uma significância esperada superior a 7$\sigma$ para a observação da produção de di-Higgs até o final do programa de execução da Fase 2.