Search for the nonresonant production of a pair of additional Higgs bosons in the Type-X two-Higgs-doublet model in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: البحث عن الإنتاج غير الرنيني لهيغزات إضافية في نموذج 2HDM من النوع X

المشكلة والدوافع
تُظهر القياسات المشتركة للعزم المغناطيسي للميون ($g-2$) حالياً تباينًا قدره خمس درجات انحراف معيارية عن تنبؤات النموذج المعياري (SM) المقدمة من مبادرة نظرية Muon $g-2$. وبينما توجد توترات بين الحسابات النظرية المختلفة، يظل هذا التباين مؤشراً محتملاً على وجود فيزياء ما وراء النموذج المعياري (BSM). ويقدم نموذج Two-Higgs-Doublet (2HDM) من النوع X، المعروف أيضاً بالنموذج "الخاص باللبتونات"، تفسيراً محتملاً عبر إدخال بوزونات هيغز إضافية تساهم في تصحيحات حلقية للعزم المغناطيسي للميون.

ومع ذلك، فإن حيز المعلمات المطلوب لحل شذوذ $g-2$ للميون في نموذج Type-X 2HDM يتطلب عادةً قيمًا كبيرة لـ $\tan\beta$ (أكبر من أو يساوي 90 في السيناريو الطبيعي، وأكبر من أو يساوي 120 في السيناريو المقلوب). وفي هذا النظام، يتم تثبيط الاقترانات مع الكواركات، مما يجعل أنماط إنتاج بوزون هيغز المنفرد التقليدية (اندماج الغلوون وإنتاج مرتبط بـ $b$) ضئيلة للغاية. وبناءً على ذلك، تفتقر عمليات البحث الحالية عن هيغز التي تستهدف نماذج "شبيهة بـ MSSM" أو إنتاج هيغز المنفرد إلى الحساسية تجاه هذا النطاق المحدد. علاوة على ذلك، تعتمد عمليات البحث عن هيغز ثنائي الهيغز القياسية غالباً على تحديد بوزون هيغز الشبيه بالنموذج المعياري ($H_{125}$) أو تستهدف حالات نهائية خالية من لبتونات $\tau$، وهي حالات لا تتوافق مع نموذج Type-X 2HDM حيث تؤول بوزونات هيغز الإضافية بشكل مهيمن إلى أزواج من لبتونات $\tau$.

المنهجية
يقدم هذا التحليل بحثاً عن الإنتاج غير الرنيني لزوج من بوزونات هيغز الإضافية ($\phi$ و $A$) الناشئة عن بوزون $Z$ خارج الكتلة ($Z^* \to \phi A$)، حيث يؤول كلا البوزونين حصرياً إلى أزواج من لبتونات $\tau$ ($Z^* \to \phi A \to \tau\tau\tau\tau$). ويعد نمط الإنتاج هذا ميزة لأن مقطع عرضه الإنتاجي مستقل عن $\tan\beta$، بينما يتم تعزيز كسور التفرع لإنتاج لبتونات $\tau$ عند قيم $\tan\beta$ العالية.

يستخدم البحث بيانات تصادم بروتون-بروتون تم جمعها بواسطة كاشف CMS عند طاقة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت، وهو ما يعادل لمعاناً متكاملاً قدره $138 \text{ fb}^{-1}$ للفترة 2016–2018. يقوم التحليل بإعادة بناء ست حالات نهائية رئيسية لـ $\tau\tau\tau\tau$ وهي: ($\tau_h\tau_h\tau_h\tau_h$, $e\tau_h\tau_h\tau_h$, $\mu\tau_h\tau_h\tau_h$, $e\mu\tau_h\tau_h$, $\mu\mu\tau_h\tau_h$, $ee\tau_h\tau_h$)، مع مراعاة حوالي 87% من إجمالي كسر التفرع، بالإضافة إلى قناة إضافية للحالات التي يُفقد فيها أحد مرشحي $\tau_h$ بسبب عدم كفاءة إعادة البناء.

تشمل معايير الاختيار الرئيسية ما يلي:

• التحفيز (Triggering): يتم اختيار الأحداث بناءً على محفزات الإلكترون المنفرد، أو الميون المنفرد، أو أزواج $\tau_h$.
• تثبيط الخلفية: يتم استبعاد الأحداث التي تحتوي على نفاثات $b$ لتقليل خلفيات أزواج الكواركات واللبتونات ($t\bar{t}$). وتُصنف القنوات ذات اللبتونات الخفيفة حسب الشحنة (نفس الإشارة مقابل الإشارة المتضادة) لفصل الإشارة عن الخلفيات مثل $Z/\gamma^* \to \ell\ell$ و $t\bar{t}$.
• المتغير المميز: يُستخدم إجمالي الكتلة المستعرضة ($m_T^{tot}$) كمميز أساسي، وهو معرف كجذر تربيعي لمجموع الكتل المستعرضة لجميع أزواج كائنات اضمحلال $\tau$ والزخم المستعرض المفقود.
• نمذجة الخلفية: يتم تقدير الخلفية المهيمنة الناتجة عن خطأ تحديد النفاثات كـ لبتونات هادرونية ($\text{jet} \to \tau_h$) باستخدام طريقة "عامل التزييف" (FF) المعززة بالتعلم الآلي والمستمدة من البيانات. أما الخلفيات الأخرى (مثل $ZZ$, $t\bar{t}$, dibosons) فيتم نمذجتها باستخدام محاكاة مونت كارلو المعايرة إلى دقة NLO أو NNLO.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملائمة احتمالية ممتدة ومُدرجة (profiled extended binned likelihood fit) باستخدام أداة COMBINE، مع معاملة عدم اليقين في النظام كمعلمات عوائق (nuisance parameters).

المساهمات الرئيسية

• طوبولوجيا مبتكرة: يعالج هذا العمل فجوة حرجة في التغطية التجريبية من خلال استهداف طوبولوجيا $Z^* \to \phi A \to 4\tau$ الفريدة غير الرنينية، والتي لم يتم استهدافها سابقاً في تحليلات متعددة الـ $\tau$.
• استقلالية الإنتاج عن النموذج: من خلال الاستفادة من نمط إنتاج مستقل عن $\tan\beta$، يستكشف التحليل نظام $\tan\beta$ العالي حيث يفسر نموذج Type-X 2HDM شذوذ $g-2$ للميون، وهو نطاق لا يمكن الوصول إليه عبر أبحاث هيغز المنفرد.
• إعادة بناء شاملة للقنوات: يجمع التحليل بين قنوات اضمحلال متعددة ويستخدم تقنيات تعلم آلي متقدمة لتقدير الخلفية لتعظيم الحساسية عبر نطاق واسع من الكتل.

النتائج
لم يُلاحظ أي انحراف كبير عن توقعات خلفية النموذج المعياري في البيانات. وقد تم وضع حدود عليا عند مستوى ثقة 95% CL على حاصل ضرب المقطع العرضي للإنتاج وكسور التفرع ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• تتراوح الحدود المرصودة من $190 \text{ fb}$ (عند $m_A = 40 \text{ GeV}, m_\phi = 60 \text{ GeV}$) إلى $0.4 \text{ fb}$ (عند $m_A = 600 \text{ GeV}, m_\phi = 800 \text{ GeV}$).
• تم اشتقاق محيطات الاستبعاد في مستوي $m_A$-$\tan\beta$ لقيمة ثابتة $m_\phi = 200 \text{ GeV}$ وفي مستوي $m_A$-$m_\phi$.
• يستبعد التحليل منطقة قطرية في مستوي $m_A$-$m_\phi$ بعرض تقريبي قدره $100 \text{ GeV}$، تمتد من أدنى الكتل التي تم البحث فيها ($m_A=40 \text{ GeV}, m_\phi=60 \text{ GeV}$) حتى $m_A \approx m_\phi \approx 360 \text{ GeV}$.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن الجمع بين هذه النتائج الجديدة والقيود من عمليات البحث السابقة (تحديداً أبحاث هيغز المنفرد $H/A \to \tau\tau$) يستبعد جزءاً كبيراً من فضاء معلمات سيناريو المحاذاة (alignment scenario) لنموذج Type-X 1HDM. والأهم من ذلك، يذكر المؤلفون أن المناطق المسموح بها للسيناريوهين الطبيعي والمقلوب التي تستوعب قياس العزم المغناطيسي للميون الحالي (كما هو مفصل في المرجع [9]) تقع بالكامل داخل محيطات الاستبعاد المرصودة ($\tan\beta > 15$). وبناءً على ذلك، فإن هذا البحث يستبعد سيناريو محاذاة Type-X 2HDM كشرح لشذوذ العزم المغناطيسي للميون ضمن نطاقات الكتلة المختبرة. وتثبت النتائج أن حيز المعلمات المحدد المطلوب لحل توتر $g-2$ عبر هذه الآلية لا يتوافق مع بيانات مصادم الهادرونات الكبير (LHC) الحالية.