Combination of Higgs boson measurements at $\sqrt{s} =$ 13 TeV and their interpretations by the ATLAS experiment

Resumo Técnico: Combinação de Medições do Bóson de Higgs a $\sqrt{s}=13$ TeV e Suas Interpretações pelo Experimento ATLAS

Problema e Objetivo
O objetivo primário deste trabalho é realizar uma combinação abrangente das medições de produção e decaimento do bóson de Higgs utilizando o conjunto completo de dados da Run 2 de colisões próton-próton coletadas pelo experimento ATLAS a $\sqrt{s}=13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de até $140 \text{ fb}^{-1}$. Embora análises individuais visando canais específicos de produção e decaimento tenham sido publicadas anteriormente, este artigo visa fornecer uma combinação unificada e estatisticamente rigorosa de 26 análises de entrada. O objetivo é melhorar a precisão das medições das propriedades do bóson de Higgs, reduzir as incertezas através da correlação de efeitos sistemáticos e fornecer uma interpretação mais robusta dos dados dentro do Modelo Padrão (SM) e além dele, incluindo restrições sobre acoplamentos, largura total, autocoplamento e parâmetros da Teoria de Campo Efetivo (EFT).

Metodologia
A combinação utiliza um framework de verossimilhança global construído a partir das funções de verossimilhança de 26 análises de entrada individuais. Estas análises cobrem uma ampla gama de mecanismos de produção do bóson de Higgs (fusão glúon-glúon, fusão de vetores-bósons, produção associada com bósons $W/Z$, quarks top e quarks $b$, e produção de pares de Higgs) e canais de decaimento ($H \to \gamma\gamma, ZZ^*, WW^*, \tau\tau, bb, \mu\mu, Z\gamma, cc$ e invisível).

• Tratamento Estatístico: Um modelo de verossimilhança combinado é construído usando o framework RooFit, incorporando aproximadamente 6.300 parâmetros de incerteza (NPs) para contabilizar incertezas sistemáticas. Incertezas correlacionadas (ex: luminosidade, funções de distribuição de partons, escalas de energia de jato) são tratadas usando NPs compartilhados entre as análises, enquanto incertezas não correlacionadas são tratadas separadamente. Um procedimento de descorrelação é aplicado onde os NPs exibem comportamentos significativamente diferentes no modelo combinado em comparação com os ajustes individuais.
• Decomposição de Incerteza: As incertezas são decompostas em componentes estatísticas, sistemáticas experimentais, de teoria de sinal e de teoria de fundo. O método de "observável auxiliar deslocado" é usado para a medição da largura total para garantir uma decomposição não correlacionada, enquanto o método de "incerteza condicional" é aplicado a outros resultados.
• Frameworks:
  • Framework $\kappa$: Modificadores de acoplamento ($\kappa$) são usados para escalar os acoplamentos do SM para bósons vetoriais e férmions. As parametrizações "resolvida" (acoplamentos induzidos por loop derivados de acoplamentos de nível de árvore) e "efetiva" (acoplamentos de loop induzidos independentes) são exploradas.
  • Seções de Choque de Templates Simplificados (STXS): Medições cinemáticas são reportadas em 44 regiões não sobrepostas definidas pelo esquema Stage 1.2, adaptadas à sensibilidade das análises específicas.
  • Teoria de Campo Efetivo do Modelo Padrão (SMEFT): Os resultados são interpretados no contexto de operadores de dimensão-6 na base de Warsaw, considerando tanto parametrizações lineares quanto lineares+quadráticas.

Principais Contribuições e Resultados

1. Força de Sinal Inclusiva: A força de sinal inclusiva do bóson de Higgs relativa à previsão do SM é medida como $\mu = 0.990^{+0.053}_{-0.051} = 0.990 \pm 0.027 \text{ (estatística)} \pm 0.024 \text{ (exp.)} ^{+0.037}_{-0.035} \text{ (teoria do sinal)} ^{+0.016}_{-0.015} \text{ (teoria do fundo)}$. Este resultado está em excelente concordância com o SM ($p\text{-valor} = 77\%$). A incerteza total é reduzida em aproximadamente 15% em comparação com a combinação anterior do ATLAS, sendo a incerteza de teoria de sinal (dominada por termos de ordem superior de QCD ausentes) o maior componente.

2. Seções de Choque de Produção e Razões de Decaimento:

   • As seções de choque de produção para $ggF, VBF, WH, ZH, t\bar{t}H$ e $tH$ são medidas. A seção de choque de $tH$ mostra um leve déficit, mas permanece consistente com o SM ($p\text{-valor} = 20\%$). As incertezas para $WH, ZH$e$t\bar{t}H$ são reduzidas em 20–40% em relação aos resultados anteriores.
   • As razões de decaimento para os principais modos de decaimento ($H \to bb, WW^*, \tau\tau, ZZ^*, \gamma\gamma$) são medidas com incertezas relativas entre 8% e 13%. As incertezas para $H \to bb$ e $H \to WW^*$ são reduzidas em ~20%, e para $H \to \tau\tau$ em ~10%.

3. Modificadores de Acoplamento (Framework $\kappa$):

   • Os acoplamentos para bósons vetoriais fracos ($\kappa_V$) e férmions ($\kappa_F$) são medidos como $1.002^{+0.027}_{-0.026}$ e $0.945^{+0.043}_{-0.041}$, respectivamente.
   • Em um modelo com acoplamentos independentes para $W, Z, t, b, \tau, \mu$ e acoplamentos de loop efetivos ($g, \gamma, Z\gamma$), todos os modificadores medidos são consistentes com as expectativas do SM.
   • O modificador de acoplamento do charme é restringido a $|\kappa_c| < 4.1$ ao CL de 95%, representando uma melhoria de um fator de dois sobre os limites anteriores.
   • A primeira determinação do ATLAS da massa de corrida do quark $b$ na escala de massa do Higgs é obtida: $m_b(m_H) = 2.73^{+0.27}_{-0.25} \text{ GeV}$.

4. Largura Total e Autocoplamento:

   • Combinando taxas de produção on-shell e off-shell, a largura total do bóson de Higgs é restringida a $\Gamma_H = 3.6^{+2.1}_{-1.6} \text{ MeV}$ ao CL de 68%, consistente com a previsão do SM.
   • O modificador de autocoplamento do bóson de Higgs é determinado como $\kappa_\lambda = 1.3^{+3.1}_{-1.6}$, com um intervalo de 95% CL de $[-1.5, 6.5]$. Este resultado combina medições de produção de Higgs único e de pares de Higgs, sendo que estas últimas fornecem a sensibilidade dominante.

5. Cinemática e EFT:

   • A cinemática de produção é medida em 44 regiões STXS, fornecendo a descrição mais detalhada da produção do bóson de Higgs até o momento.
   • Na interpretação SMEFT, 20 parâmetros de medição (combinações lineares de operadores da base de Warsaw) são restringidos. Os resultados são consistentes com o SM ($p\text{-valor} = 81\%$). A sensibilidade alcança até $\sim 30 \text{ TeV}$ para os parâmetros mais bem restringidos. A inclusão de análises melhoradas de $H \to cc$ e $H \to bb$ permite a primeira medição do operador $c_u H$ nos dados do LHC.

Significância
Este artigo representa o culminar das análises do bóson de Higgs da Run 2 pelo ATLAS, oferecendo o conjunto de medições mais preciso e abrangente até o momento. Ao combinar diversos canais e tratar as incertezas sistemáticas com uma abordagem unificada, a análise alcança melhorias significativas na precisão (até 35% em alguns casos) em relação a combinações parciais ou individuais anteriores. Os resultados fornecem testes rigorosos do Modelo Padrão, confirmando sua consistência através de taxas de produção, razões de decaimento e distribuições cinemáticas. Além disso, o trabalho estabelece restrições robustas sobre potenciais novas físicas, incluindo o autocoplamento do Higgs, decaimentos invisíveis e operadores de dimensão-6 da EFT, preparando o terreno para futuros estudos de precisão na era do LHC de Alta Luminosidade. A determinação da massa de corrida do quark $b$ e os limites melhorados para o acoplamento do charme destacam a capacidade única das medições do bóson de Higgs de sondar parâmetros fundamentais do Modelo Padrão.