Study of ZZ and ZH production in the bb$\tau\tau$ final state and search for high-mass spin-0 and spin-1 resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumo Técnico: Estudo da Produção de ZZ e ZH no Estado Final $bb\tau\tau$ e Busca por Ressonâncias de Alta Massa

Problema e Motivação
A descoberta do bóson de Higgs ($H$) validou o Modelo Padrão (SM), mas parâmetros críticos, como o autoacoplamento do Higgs ($\lambda$), permanecem não medidos. A medição da produção de pares de bósons de Higgs ($HH$) é a principal via para restringir $\lambda$. O canal de decaimento $HH \to bb\tau\tau$ oferece alta sensibilidade, mas enfrenta desafios experimentais significativos, incluindo grandes fundos (backgrounds) e reconstrução complexa. Para refinar as estratégias de análise para o LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC) e melhorar a robustez das buscas de $HH \to bb\tau\tau$, é necessário estudar processos do SM experimentalmente bem estabelecidos que compartilham características topológicas semelhantes. A produção associada de um bóson $Z$ e um bóson $Z$ ($ZZ$) ou um bóson $Z$ e um bóson de Higgs ($ZH$) no estado final $bb\tau\tau$ serve como um benchmark ideal. Esses processos compartilham os desafios experimentais da busca de $HH$, mas possuem seções de choque significativamente maiores (aproximadamente 64 vezes maiores para $ZZ$ e 2,2 vezes maiores para $ZH$). Além disso, esses canais oferecem uma oportunidade única de investigar física além do Modelo Padrão (BSM), especificamente buscando ressonâncias pesadas de spin-0 ($X$) decaindo para $ZZ$ e ressonâncias de spin-1 ($Z'$) decaindo para $ZH$, que poderiam surgir de extensões como modelos de singlete, modelos de dois dubletos de Higgs ou dimensões extras curvadas (warped extra dimensions).

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

1. $ZZ \to bb\tau\tau$ (denotado como $ZbbZ\tau\tau$)
2. $ZH \to (Z \to bb)(H \to \tau\tau)$ (denotado como $ZbbH\tau\tau$)
3. $ZH \to (Z \to \tau\tau)(H \to bb)$ (denotado como $Z\tau\tau Hbb$)

Reconstrução e Seleção de Eventos:

• Modos de Decaimento de Tau: A análise considera três modos de decaimento $\tau\tau$: $\tau_\mu\tau_h$, $\tau_e\tau_h$ e $\tau_h\tau_h$, cobrindo 87,6% dos decaimentos $\tau\tau$ possíveis.
• Regimes Cinemáticos: Os eventos são categorizados em regimes "resolvido" (resolved) e "impulsionado" (boosted) com base no boost de Lorentz dos sistemas $\tau\tau$ e $bb$.
  • Resolvido: Utiliza jatos AK4 ($R=0.4$) e critérios de isolamento padrão.
  • Impulsionado: Utiliza jatos AK8 ($R=0.8$) e algoritmos de reconstrução dedicados para objetos colimados.
• Identificação de Objetos:
  • Jatos: Jatos AK4 são identificados usando o algoritmo DEEPJET (ponto de trabalho médio). Jatos AK8 são identificados usando o algoritmo PARTICLENET (ponto de trabalho de baixa pureza) para marcar decaimentos $Z/H \to bb$.
  • Taus: Candidatos a tau hadrônico são reconstruídos usando o algoritmo HPS e identificados usando os algoritmos DEEPTAU (resolvido) ou BOOSTEDDEEPTAU (impulsionado).
  • Léptons: Elétrons e múons são reconstruídos com critérios padrão do CMS, com ajustes de isolamento específicos para o regime impulsionado.
• Categorização: Os eventos são classificados em 12 categorias mutuamente exclusivas baseadas no canal de decaimento $\tau\tau$ (3) e no regime de reconstrução ($bb$ resolvido 1b, resolvido 2b, $bb$-resolvido impulsionado $\tau\tau$, $bb$-impulsionado $\tau\tau$ $bb$).
• Reconstrução de Massa: A massa invariante do sistema $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) é reconstruída usando o algoritmo FASTMTT, que emprega uma aproximação colinear e momento transversal ausente ($p_T^{miss}$). A massa $bb$($m_{bb}$) é derivada da massa invariante de dijatos (resolvido) ou da massa com soft-drop grooming (impulsionado). Uma seleção elíptica no plano $(m_{bb}, m_{\tau\tau})$ é aplicada para selecionar candidatos ao sinal.

Modelagem de Fundo e Extração de Sinal:

• Fundos (Backgrounds): Os fundos dominantes são a produção de pares de quarks top ($t\bar{t}$) e processos Drell-Yan ($Z/\gamma^* \to \ell\ell, \tau\tau$). O fundo de multijet QCD é estimado usando métodos ABCD baseados em dados. Outras contribuições (top único, $W$+jets, dibosons) são modeladas usando simulações de Monte Carlo (MC).
• Extração de Sinal: Redes Neurais Profundas (DNNs) são treinadas para discriminar o sinal do fundo.
  • Não-ressonante: DNNs dedicadas são treinadas para cada processo do SM ($ZZ$, $ZbbH$, $Z\tau\tau H$).
  • Ressonante: Uma rede neural parametrizada é treinada para buscas ressonantes ($X \to ZZ$, $Z' \to ZH$), usando a massa da ressonância como um parâmetro de entrada para permitir limites independentes de modelo através de uma faixa de massa.
• Análise Estatística: Um ajuste de máxima verossimilhança em bins (binned maximum likelihood fit) é realizado nas distribuições de saída das DNNs em todas as categorias e canais. As incertezas sistemáticas (luminosidade, escalas de energia/identificação de objetos, seções de choque teóricas, PDFs e estatísticas de MC) são tratadas como parâmetros de incerteza (nuisance parameters).

Principais Contribuições e Resultados

• Primeiras Medições: Este trabalho apresenta as primeiras medições dos processos $ZZ \to bb\tau\tau$ e $ZH \to bb\tau\tau$.
• Medições do SM:
  • A força do sinal ($\mu$) para $ZZ \to bb\tau\tau$ é medida como $0,10^{+0,70}_{-0,68}(\text{estat})^{+0,83}_{-0,84}(\text{sist})$.
  • A força do sinal para $ZH \to bb\tau\tau$ é medida como $-1,4^{+1,2}_{-1,1}(\text{estat}) \pm 1,0(\text{sist})$.
  • Ambos os resultados são consistentes com as previsões do Modelo Padrão.
  • Limites superiores ao nível de confiança (CL) de 95% são estabelecidos nas seções de choque de produção, variando de 300 pb a 24 fb para $ZZ$ e de 0,4 pb a 12 fb para $ZH$.
• Buscas por Ressonâncias:
  • Buscas são conduzidas para ressonâncias pesadas de spin-0 ($X \to ZZ$) na faixa de massa de 200 GeV – 5 TeV e ressonâncias de spin-1 ($Z' \to ZH$) na faixa de 500 GeV – 6 TeV.
  • Nenhuma desviação significativa das expectativas do SM é observada.
  • Limites superiores são estabelecidos em $\sigma(X)\mathcal{B}(X \to ZZ)$ e $\sigma(Z')\mathcal{B}(Z' \to ZH)$ através das faixas de massa.
• Projeções de Sensibilidade: Projeções para o HL-LHC sugerem que evidência para $ZZ \to bb\tau\tau$ poderia ser alcançada com $\sim 1$ ab$^{-1}$ e observação com $>2,5$ ab$^{-1}$, desde que as incertezas sistemáticas sejam reduzidas. O processo $ZH \to bb\tau\tau$ permanece mais desafiador, provavelmente exigindo melhorias substanciais nos métodos de análise e modelagem de fundo para observação.

Significância
O artigo estabelece os processos $ZZ/ZH \to bb\tau\tau$ como "velas padrão" (standard candles) viáveis para o estado final $bb\tau\tau$. Ao demonstrar que as técnicas de análise desenvolvidas para esses processos bem conhecidos podem ser aplicadas com sucesso, o estudo valida as estratégias necessárias para a futura observação da produção não-ressonante de pares de Higgs ($HH \to bb\tau\tau$). Os resultados fornecem as primeiras restrições experimentais sobre a produção de $ZZ$e$ZH$ neste estado final específico e estabelecem os primeiros limites sobre ressonâncias pesadas decaindo para esses estados no canal $bb\tau\tau$, investigando potenciais aumentos nos acoplamentos com férmions da terceira geração. A análise confirma que, embora o processo $ZZ \to bb\tau\tau$ ofereça um caminho mais acessível para a observação do que o $HH \to bb\tau\tau$ devido às maiores seções de choque, ele ainda está sujeito a desafios significativos de fundo que devem ser abordados para explorar totalmente o conjunto de dados do HL-LHC.