Measurement of the Higgs boson total decay width using the H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$ decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 138 fb$^{-1}$的 13 TeV 质子 - 质子对撞数据，CMS 实验通过 H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$道测得希格斯玻色子的总衰变宽度为 3.9$^{+2.7}_{-2.2}$ MeV，在确认其与标准模型一致的同时，将不确定度较以往结果提高了三倍。

要点

以下是用通俗语言和创意类比对这篇论文的解读。

宏观图景：称量幽灵

想象希格斯玻色子是一个极其害羞、速度极快的幽灵，它在巨大的粒子对撞机（大型强子对撞机，LHC）中出现一刹那，随即消失。科学家们想要确切知道这个幽灵在能量上有多“重”，物理学家称之为衰变宽度。

把衰变宽度想象成钟的响度。

• 响铃时间很长（宽衰变宽度）的钟，声音洪亮，容易听见。
• 响铃时间极短（窄衰变宽度）的钟，则是一个微弱的“叮”声，极难捕捉。

标准模型（物理学的规则手册）预测这个希格斯幽灵应该是一个非常微弱的“叮”声——微弱到我们的探测器太模糊，无法直接听到它。这就像试图用浴室秤来称量一根羽毛的确切重量；秤的灵敏度不够。

技巧：聆听回声

既然无法直接称量这个幽灵，CERN 的 CMS 团队使用了一个巧妙的技巧。他们观察了幽灵出现的两种不同方式：

1. “在壳”幽灵（主要事件）： 这是幽灵以正常、预期的能量（125 GeV）出现。就像幽灵在受邀时准时出现在派对上。
2. “离壳”幽灵（稀有访客）： 这是幽灵在远高于预期的能量（超过 160 GeV）下出现。就像幽灵在能量水平高得多的时候闯入派对。这种情况发生得非常罕见。

类比：
想象你想弄清楚汽车引擎的转速，但你无法直接查看引擎。相反，你观察汽车在低速行驶（在壳）时的油耗，与引擎在红线转速下轰鸣（离壳）时的油耗。

论文解释说，这两种“油耗”之间的比率告诉了你引擎的秘密转速（即衰变宽度）。如果幽灵非常“窄”（安静），那么与正常版本相比，高能量的“离壳”版本要难得多。通过测量高能量版本出现的频率与正常版本相比如何，他们可以计算出宽度。

实验：大过滤器

科学家们查看了**138 个“飞靶”**的数据。为了直观理解，这就像在 2016 年至 2018 年间，观看了大型强子对撞机中发生的 138 万亿次质子碰撞。

他们正在寻找一个特定的信号：一个希格斯玻色子转变为两个 W 粒子，随后这两个 W 粒子转变为一个电子和一个μ子（以及一些不可见的中微子）。

• 挑战： 背景噪声巨大。这就像试图在挤满欢呼球迷的体育场里听到一声耳语。这些“球迷”是其他粒子碰撞，它们看起来相似但不是希格斯玻色子。
• 解决方案： 他们使用了一个深度神经网络（DNN）。把它想象成一个超级智能的 AI 裁判。它审视每一次碰撞，并问道：“这看起来像希格斯幽灵，还是只是背景噪声？”它根据周围飞行的其他粒子（喷注）的数量，将事件分类到不同的类别中。

结果：完美匹配

在过滤掉噪声并使用他们的 AI 裁判之后，团队发现：

• 离壳信号： 他们测量了高能量幽灵出现的频率。结果为1.2（带有一些不确定性）。在规则手册中，1.0 是完美值。因此，1.2 非常接近预期值。
• 总宽度： 利用高能量幽灵与正常幽灵的比率，他们计算出了总衰变宽度。
  • 他们的结果： 3.9 MeV（正负一点）。
  • 预测值： 4.1 MeV。

裁决： 测量结果与标准模型完美匹配。这个“幽灵”正如规则手册所预测的那样，安静且难以捉摸。

为什么这很重要

这不仅仅是一篇“我们发现了它”的论文；这是一篇“我们精确测量了它”的论文。

• 改进： 这一结果比同一团队使用旧数据进行的先前尝试精确了3 倍。
• 新通道： 这是 CMS 团队首次使用H → WW（希格斯到 W 粒子）通道，在 13 TeV 的高能量下测量这一特定宽度。此前，他们不得不使用不同的通道（H → ZZ）。
• 一致性： 测量结果与预测如此吻合的事实意味着，目前没有任何“奇怪”的新物理隐藏在阴影中。希格斯玻色子的行为完全符合标准模型的预测。

总结

CMS 团队就像试图称量幽灵的侦探。他们无法直接称量它，因此他们比较了幽灵在“正常”状态与“高能量”状态下出现的频率。利用海量数据和智能 AI 来过滤噪声，他们计算出幽灵的“宽度”为3.9 MeV。这与4.1 MeV的理论预测几乎完美匹配，证实了我们目前对宇宙构建块的理解依然坚如磐石。

技术摘要

技术摘要：利用 H →WW →eνµν 衰变道测量希格斯玻色子的总衰变宽度

问题与动机
希格斯玻色子的总衰变宽度（$\Gamma_H$）是标准模型（SM）的一个基本参数。对于质量为 125 GeV 的标准模型希格斯玻色子，其理论预测值为 4.1 MeV。然而，该数值远小于大型强子对撞机（LHC）探测器的不变质量分辨率，使得直接测量衰变宽度变得不可行。因此，必须通过比较希格斯玻色子在“在壳”（near the resonance mass，即共振质量附近）和“离壳”（off-shell，即高不变质量处）区域的产生率来间接约束$\Gamma_H$。

CMS 合作组此前在$H \to ZZ$道和$H \to WW \to 2\ell 2\nu$道（使用 7 和 8 TeV 数据）的测量提供了约束，但精度有限。本文旨在利用$\sqrt{s} = 13$ TeV 下的完整 Run 2 数据集（2016–2018 年），特别是针对$H \to WW \to e\nu\mu\nu$衰变道，对$\Gamma_H$进行更精确的测定。本研究旨在通过利用更高的质心能量、更高的积分亮度以及更精细的理论和实验建模，改进该衰变道中此前 CMS 设定的限制（$\Gamma_H < 26$ MeV）。

方法
本分析使用了 CMS 实验采集的对应于 138 fb$^{-1}$积分亮度的质子 - 质子碰撞数据。该测量依赖于离壳与在壳产生截面的比值，该比值与总衰变宽度成正比（$\Gamma_H \propto \mu_{\text{off-shell}} / \mu_{\text{on-shell}}$）。

• 事例选择与重建：选择事例时要求存在一个电荷相反的电子 - 缪子对（$e\mu$），以抑制 Drell-Yan 背景。运动学要求包括：缺失横向动量（$p^{\text{miss}}_T > 20$ GeV）以考虑中微子，双轻子不变质量$m_{e\mu} > 20$ GeV，以及重建的希格斯玻色子横向质量$m^H_T > 60$ GeV。喷注使用 anti-$k_T$算法进行聚类，并剔除含有$b$标记喷注的事例以减少顶夸克背景。
• 分类：根据喷注数量（0、1 和$\ge 2$）对事例进行分类，以区分胶子 - 胶子融合（ggF）和矢量玻色子融合（VBF）产生模式。
• 机器学习判别：采用多类深度神经网络（DNN）将信号与背景分离。DNN 被训练用于将 0 喷注和 1 喷注类别的事例分为四类（离壳 ggF、在壳 ggF、顶夸克、非共振 WW），将$\ge 2$喷注类别的事例分为六类（增加离壳/在壳 VBF）。输入变量包括双轻子系统、双喷注系统、缺失横向动量的运动学特性以及 WW 系统的代理不变质量。
• 信号与背景建模：
  • 信号：离壳贡献由生成器层面的$m_{WW} > 160$ GeV 要求定义。ggF 和 VBF 的模拟分别使用 POWHEG 和 JHUGEN（用于 VBF）或 MCFM（用于 ggF），并纳入复极点方案以及信号与连续背景之间的干涉效应。
  • 背景：主要背景包括非共振 WW 产生、顶夸克（$t\bar{t}$）和 Drell-Yan 过程。非共振 WW 和$t\bar{t}$的归一化利用数据在信号区（SR）和控制区（CR）中同时约束。非 prompt 轻子背景使用数据驱动的“矩阵法”进行估算。
• 统计分析：使用 COMBINE 框架执行轮廓似然拟合。似然函数纳入了离壳信号区和在壳控制区的 DNN 输出分布。系统不确定性（实验和理论）作为具有高斯约束的干扰参数进行处理。

主要贡献

• $H \to WW$道的首次 13 TeV 测量：本文提出了 CMS 利用$\sqrt{s} = 13$ TeV 下的$H \to WW \to e\nu\mu\nu$道对希格斯玻色子衰变宽度的首次测定。
• 精度的提升：该分析在该特定衰变道（源自 7 和 8 TeV 数据）的先前 CMS 结果基础上，将不确定度提高了 3 倍。
• 先进的建模：本研究实施了离壳希格斯信号与连续$WW$背景之间干涉效应的复杂建模，这对于从高质量尾部准确提取信号强度至关重要。
• 基于 DNN 的分类：深度神经网络的应用使得在不同喷注多重性下能够高效地区分信号与背景，从而优化了 ggF 和 VBF 产生模式的灵敏度。

结果

• 离壳信号强度：测得的离壳信号强度为$\mu_{\text{off-shell}} = 1.2^{+0.8}_{-0.7}$。该值与标准模型预测的单位值一致。
• 总衰变宽度：测得希格斯玻色子的总衰变宽度为$\Gamma_H = 3.9^{+2.7}_{-2.2}$ MeV。
• 与标准模型的一致性：测得的宽度与 4.1 MeV 的标准模型预测值相符。
• 排除限制：无离壳希格斯玻色子产生的情景在 3.4 个标准差水平上被排除（预期排除水平为 1.3 个标准差）。宽度的 95% 置信度上限为$\Gamma_H < 22.00$ MeV。
• 不确定度分解：比率$r = \mu_{\text{off-shell}}/\mu_{\text{on-shell}}$的总不确定度主要由统计不确定度主导（56%），其次是理论不确定度（27%）。

意义
本文声称，该结果代表了在约束希格斯玻色子性质方面的重大进展。通过补充$H \to ZZ$道的先前测量，该分析利用$WW$道提供了对$\Gamma_H$的稳健且独立的约束。该结果在不确定度范围内证实了标准模型的预测，并表明目前测量范围内对标准模型的偏差（可能指示反常耦合或新物理）已受到约束。该道精度相对于先前限制的改进，凸显了利用完整 Run 2 数据集以及深度学习和精确干涉建模等先进分析技术的有效性。