Search for the nonresonant and resonant production of a Higgs boson in association with an additional scalar boson in the $\gamma\gamma\tau\tau$ final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: البحث عن الإنتاج غير الرنيني والرنيني لبوزون هيجز بالترافق مع بوزون قياسي إضافي في الحالة النهائية $\gamma\gamma\tau\tau$

المشكلة والدوافع
تقدم هذه الورقة بحثاً عن إنتاج بوزونين قياسيين في الحالة النهائية $\gamma\gamma\tau\tau\tau\tau$ باستخدام بيانات تصادمات بروتون-بروتون التي جُمعت بواسطة تجربة CMS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت (TeV). يتناول هذا التحليل هدفين فيزيائيين رئيسيين: تقييد الاقتران الثلاثي لبوزون هيجز ($\lambda_{HHH}$) من خلال إنتاج زوج هيجز ($HH$) غير الرنيني، والبحث عن ظواهر فيزياء جديدة تتنبأ بها نظريات ما وراء النموذج القياسي (BSM).

يعد الاقتران الثلاثي اختباراً فريداً لبنية جهد بوزون هيجز في النموذج القياسي، ومع ذلك لا يزال غير مقيد بشكل جيد بسبب صغر المقطع العرضي للنموذج القياسي لإنتاج $HH$ (البالغ $31.1^{+2.1}_{-7.2}$ فيبرن - fb عند مستوى NNLO). علاوة على ذلك، تتنبأ نظريات مختلفة لما وراء النموذج القياسي، مثل نموذج راندال-سوك (RS) للكتلة (bulk model) والنموذج القياسي الفائق التماثل التالي للحد الأدنى (NMSSM)، بوجود جسيمات قياسية إضافية (يُرمز لها بـ $X$ و $Y$) يمكن أن تتحلل إلى أزواج من بوزونات هيجز أو حالات مختلطة ($X \to HH$، $X \to YH$). أظهرت نتائج CMS الأخيرة في قنوات أخرى (مثل $X \to Y(bb)H(\gamma\gamma)$ والبحث عن تحللات القياس إلى $\tau\tau$ أو $\gamma\gamma$) فائضات محلية، مما يحفز البحث المكمل في قناة $\gamma\gamma\tau\tau$ لاستكشاف مناطق الكتلة هذه بدقة عالية.

المنهجية
يستخدم التحليل ما يصل إلى $138 \text{ fb}^{-1}$ من البيانات المسجلة بين عامي 2016 و2018. يتطلب اختيار الأحداث وجود فوتونين وتليونين (أو تليون واحد ومسار معزول)، مع متطلبات حركية محددة للزخم المستعرض ($p_T$) والعزل. يُشترط أن تكون كتلة الفوتونين الثنائية ($m_{\gamma\gamma}$) أكبر من $65$GeV (أو أكبر من$100$ GeV لمعظم عمليات البحث) لضمان كفاءة المحفز (trigger) وقمع الخلفية.

تم توظيف خمس استراتيجيات بحث متميزة:

1. إنتاج $HH$ غير الرنيني: عبر اندماج غلوون-غلوون (ggF).
2. الرنين $X(0) \to HH$: رنين ذو سبين (spin) صفر.
3. الرنين $X(2) \to HH$: رنين ذو سبين 2.
4. الرنين $X \to Y(\tau\tau)H(\gamma\gamma)$: تحلل بوزون قياسي ثقيل $X$ إلى بوزون قياسي أخف $Y$ (يتحلل إلى $\tau\tau$) وبوزون هيجز القياسي (يتحلل إلى $\gamma\gamma$).
5. الرنين $X \to Y(\gamma\gamma)H(\tau\tau)$: تحلل $X$ إلى $Y$ (يتحلل إلى $\gamma\gamma$) وهيغز $H$ (يتحلل إلى $\tau\tau$). ينقسم هذا البحث إلى نظام كتلة منخفضة ($m_Y \in [70, 125]$ GeV) ونظام كتلة عالية ($m_Y \in [125, 800]$ GeV) بسبب قيود المحفز.

تصنيف الأحداث والنمذجة
لتعظيم الحساسية، يستخدم التحليل مصنفات التعلم الآلي:

• البحث غير الرنيني: يتم استخدام شجرة قرار معززة (BDT) مدربة على متغيرات حركية (باستثناء $m_{\gamma\gamma}$ لتجنب تشكيل الخلفية) للفصل بين الإشارة والخلفية. تُصنف الأحداث إلى فئتين (الفئة 0 والفئة 1) بناءً على درجات الـ BDT.
• أبحاث الرنين: يتم استخدام شبكة عصبية معلمية (pNN). يتم تدريب الـ pNN في آن واحد على عينات الإشارة عبر نطاق واسع من فرضيات الكتلة ($m_X$ و $m_Y$)، باستخدام قيم الكتلة كميزات إدخال إضافية. يسمح هذا لشبكة واحدة بالتكيف مع قدرتها على التمييز بناءً على فرضية الكتلة المحددة التي يتم اختبارها.

تتم نمذجة الإشارة والخلفية عبر ملاءمة الاحتمال الأقصى (maximum likelihood fits) لتوزيع $m_{\gamma\gamma}$.

• الإشارة: تُنمذج باستخدام دالة "كرة كريبال المزدوجة" (Double Crystal Ball - DCB) المشتقة من المحاكاة. بالنسبة لنقاط الكتلة المتوسطة التي لم تُحاكى صراحةً، يتم استكمال أشكال الإشارة وكفاءاتها باستخدام الدوال المنحنية (splines).
• الخلفية: تُنمذج الخلفية المستمرة مباشرة من البيانات باستخدام طريقة التوصيف المنفصل (discrete profiling method)، والتي تأخذ في الاعتبار عدم اليقين في اختيار الدالة التحليلية (مثل الدوال الأسية أو حدود بيرنشتاين). يتم التعامل مع إنتاج الهيغز المنفرد ($H \to \gamma\gamma$) كخلفية رنينية مُنمذجة من المحاكاة. في بحث $X \to Y(\gamma\gamma)H(\tau\tau)$، يتم تقدير خلفية "دريل-يان" (Drell–Yan) (حيث يتم تحديد الإلكترونات خطأً كفوتونات) باستخدام طريقة ABCD.

تُدرج أوجه عدم اليقين النظامية، بما في ذلك تغيرات المقطع العرضي النظري، واللمعان (luminosity)، وكفاءة المحفز، وتحديد الأشياء (الفوتونات، $\tau_h$، النفاثات)، كمعاملات إزعاج (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية والنتائج
لم يتم العثور على دليل معتبر للإشارة في البيانات. تُعرض النتائج كحدود عليا عند مستوى ثقة 95% (CL):

• إنتاج $HH$ غير الرنيني:

  • الحد العلوي المرصود (المتوقع) للمقطع العرضي لإنتاج $HH$ هو $930$($740$) fb، وهو ما يعادل $33$($26$) مرة من تنبؤ النموذج القياسي.
  • تستبعد الحدود على معدل تعديل الاقتران الذاتي للهيغز $\kappa_\lambda$ القيم خارج النطاق $[-12, 17]$ (مرصود) و $[-9.4, 15]$ (متوقع) عند مستوى ثقة 95% CL، بافتراض القيم القياسية للارتباطات الأخرى.
  • وُضعت حدود أيضاً لـ 13 سيناريو مرجعيًا لفيزياء ما وراء النموذج القياسي (BSM) تتضمن مؤثرات نظر المجال الفعال (EFT).

• أبحاث الرنين $X \to HH$:

  • بالنسبة لـ $X(0) \to HH$ و $X(2) \to HH$، تتراوح الحدود المرصودة (المتوقعة) للمقطع العرضي للإنتاج $\sigma(pp \to X)\mathcal{B}(X \to HH)$ بين $160$و$2200$ fb ($200$و$1800$ fb) اعتماداً على $m_X$.
  • في سياق نموذج راندال-سوك (RS) للكتلة، تستبعد هذه النتائج نطاقات كتلة محددة لرنينات الراديون (radion) وجاذبية كولوزا-كلاين (Kaluza-Klein graviton).

• أبحاث الرنين $X \to YH$:

  • بالنسبة لـ $X \to Y(\tau\tau)H(\gamma\gamma)$، تتراوح الحدود المرصودة (المتوقعة) لـ $\sigma \times \mathcal{B}$ بين $0.059$و$1.2$ fb ($0.087$و$0.68$ fb).
  • بالنسبة لـ $X \to Y(\gamma\gamma)H(\tau\tau)$، تتراوح الحدود على $\sigma(pp \to X \to YH)\mathcal{B}(Y \to \gamma\gamma)$ بين $0.69$و$15$ fb ($0.73$و$8.3$ fb) للكتلة المنخفضة لـ $Y$ وبين $0.64$و$10$ fb ($0.70$و$7.6$ fb) للكتلة العالية لـ $Y$.
  • في بحث الكتلة المنخفضة لـ $Y$، تمت مقارنة الحدود المرصودة بأقصى المقاطع العرضية المسموح بها في نموذج NMSSM. تم تحديد منطقة في فضاء المعلمات $(m_X, m_Y)$ حيث تكون الحدود المرصودة أكثر صرامة من القيود السابقة، مما يوفر قوة استبعاد جديدة لنموذج NMSSM.

• الفياضات (Excesses):

  • لوحظت معنوية محلية تصل إلى $3.2\sigma$ في بحث $X \to Y(\gamma\gamma)H(\tau\tau)$ عند $(m_X, m_Y) = (525, 115)$ GeV و $(450, 161)$ GeV.
  • لوحظت فياضات بقيمة $2.2\sigma$ و $2.3\sigma$ عند كتل متوافقة مع فياضات CMS السابقة ($m_X \approx 600$–$650$GeV،$m_Y \approx 95$ GeV).
  • ومع ذلك، فإن المعنوية العالمية لجميع الأبحاث منخفضة ($0.1$–$2.2\sigma$)، مما يشير إلى عدم وجود انحراف كبير عن فرضية الخلفية فقط عند أخذ تأثير "البحث في كل مكان" (look-elsewhere effect) في الاعتبار.

الأهمية
تزعم الورقة أنها تقدم أول قيود على حالة $\gamma\gamma\tau\tau$ لهذه الأنماط الإنتاجية المحددة، مما يكمل أبحاث $bb\gamma\gamma$ و $\tau\tau$ السابقة. من خلال استخدام شبكة عصبية معلمية، يغطي التحليل بكفاءة نطاق كتلة واسع للإنتاج الرنيني دون الحاجة إلى تدريب منفصل لكل نقطة كتلة. توفر النتائج قيوداً أكثر صرامة على نموذج NMSSM وتوفر حدوداً محدثة على اقتران هيجز الثلاثي ومختلف سيناريوهات المرجعيات لفيزياء ما وراء النموذج القياسي. وبينما الفياضات المحلية المرصودة ليست ذات معنوية إحصائية عالمياً، فإن اتساقها مع نتائج CMS الأخرى يحفز القياسات المستقبلية عند نقاط الكتلة المحددة هذه.