Search for $\textit{tH}$ production in the $H \to \tau\tau$ decay mode, and a combination with other searches, using $\textit{pp}$ collisions at 13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector

ملخص تقني: البحث عن إنتاج $tH$ في نمط اضمحلال $H \to \tau\tau$ والدمج مع عمليات بحث أخرى

المشكلة والدوافع
تعد اقتران يوكاوا لبوزون هيجز مع الكوارك القمي ($y_t$) أمراً بالغ الأهمية لفهم استقرار الفراغ الكهروضعفي وشكل جهد هيجز. وبينما تم رصد إنتاج بوزون هيجز بالاقتران مع زوج من الكواركات القمية (تضاد) ($t\bar{t}H$)، فإن إنتاج بوزون هيجز مع كوارك قمي واحد ($tH$) لا يزال عصياً على الرصد. وتتميز عملية $tH$ بحساسية فريدة لإشارة اقتران يوكاوا للكوارك القمي بسبب التداخل الهدام بين المخططات التي يقترن فيها هيجز بالكوارك القمي وتلك التي يقترن فيها ببوزون $W$. وهذا يجعل $tH$ مسباراً حساساً للفيزياء الجديدة المحتملة، مثل وجود خليط $CP$-فردي في الاقتران. وقد أسفرت عمليات البحث السابقة التي أجراها تجربة ATLAS لنمط $H \to \gamma\gamma$ و $H \to b\bar{b}$ والحالات النهائية متعددة الليبتونات عن قوة إشارة متوافقة مع النموذج المعياري (SM) ولكن مع دلالة محدودة. تعالج هذه الورقة الحاجة إلى تحسين الحساسية من خلال استهداف نمط الاضمحلال $H \to \tau\tau$، وتحديداً في الحالات النهائية التي تحتوي على لبتونات $\tau$ التي تضمحل هادرونياً ($\tau_{\text{had}}$)، ودمج هذه النتائج مع قياسات ATLAS السابقة.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادمات بروتون-بروتون جمعها كاشف ATLAS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت، وهو ما يعادل تكاملاً لشدة الإضاءة قدره 140 فمتوبابان (Run 2). يركز البحث على أنماط الإنتاج $tHq$ و $tWH$، حيث يضمحل بوزون هيجز إلى زوج من لبتونات $\tau$، مع اضمحلال لبتون $\tau$ واحد على الأقل بشكل هادروني.

• اختيار الأحداث: تم تحديد قناتين متميزتين بناءً على طوبولوجيا الحالة النهائية:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: أحداث تحتوي على اثنين من الليبتونات الخفيفة الوثيقة (إلكترونات أو ميونات) وواحد من $\tau_{\text{had}}$ الوثيق. تتطلب منطقة الإشارة (SR) أن يكون لليبتونين نفس الشحنة الكهربائية (SS)، مما يقلل بشكل كبير من الخلفيات القابلة للاختزال.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: أحداث تحتوي على لبتون خفيف واحد واثنين من $\tau_{\text{had}}$ الوثيقين بشحنة متعاكسة.
  • تشمل معايير الاختيار المسبق متطلبات على زخم $p_T$ لليبتون، والعزل، ووجود جيتين على الأقل، يُحدد واحد أو اثنان منهما كجيتات $b$.
• إعادة البناء:
  • الكوارك القمي: يتم إعادة بناؤه باستخدام جيت $b$ الرائد والليبتون الخفيف. ويتم تقدير النيوترينو الناتج عن اضمحلال الكوارك القمي بناءً على الارتباطات الكينماتيكية مع الليبتون المشحون.
  • بوزون هيجز: يتم إعادة بناء نظام $\tau\tau$ باستخدام طريقة حاسب الكتلة المفقودة (MMC)، والتي تستخدم نواتج اضمحلال $\tau$ المرئية والزخم المستعرض المفقود المنسوب لنظام هيجز.
• التحليل متعدد المتغيرات: لتعزيز نسبة الإشارة إلى الخلفية، تم تدريب شبكات عصبية اصطناعية (NNs) بشكل منفصل لكل قناة. تميز الشبكات العصبية بين أحداث إشارة $tH$ وعمليات الخلفية (التي يهيمن عليها $t\bar{t}$، و $t\bar{t}X$، و $W/Z$+jets، والديبوزونات). وتشمل الميزات المدخلة متغيرات كينماتيكية لكائنات الحالة النهائية، والجيت المتفرج (الذي يميز $tHq$)، والكتل المعاد بناؤها.
• تقدير الخلفية: يتم استخدام نهج قائم على البيانات لتقدير الخلفيات من الليبتونات الخفيفة التي تم تحديدها خطأً والليبتونات \tau_{\text{had} المزيفة (جيتات تم تحديدها كـ $\tau$). يتم اشتقاق عوامل التقييس (NFs) في مناطق تحكم (CRs) مخصصة غنية بأنواع خلفية محددة (مثل اضمحلالات الهيفي-فليفور، و $\tau$ fakes في نطاقات $p_T$ مختلفة) وتطبيقها على مناطق الإشارة.
• الدمج الإحصائي: يتم دمج نتائج قنوات $H \to \tau\tau$ مع عمليات بحث ATLAS السابقة في قنوات $H \to \gamma\gamma$ و $H \to b\bar{b}$ والمتعددة الليبتونات. يأخذ الدمج في الاعتبار عدم اليقين المنهجي المرتبط (التجريبي والنظري) ويستخدم ملاءمة احتمالية الملف الشخصي (profile likelihood fit) لاستخراج قوة الإشارة ($\mu_{tH}$).

المساهمات الرئيسية

• قناة جديدة: يقدم هذا العمل أول بحث لـ ATLAS لإنتاج $tH$ في نمط الاضمحلال $H \to \tau\tau$ مع اضمحلالات $\tau$ الهادرونية، باستخدام مجموعة بيانات Run 2 الكاملة.
• تحسين نمذجة الخلفية: ينفذ التحليل تقديراً مفصلاً قائماً على البيانات لـ $\tau_{\text{had}}$ fakes والليبتونات الخفيفة التي تم تحديدها خطأً، باستخدام مناطق تحكم متعددة لتقييد عوامل التقييس عبر مختلف النطاقات الكينماتيكية.
• دمج شامل: تقوم الورقة بأكثر عملية دمج شاملة لأبحاث $tH$ حتى الآن، حيث تدمج نتائج $H \to \tau\tau$ الجديدة مع قياسات ATLAS السابقة في قنوات $H \to \gamma\gamma$ و $H \to b\bar{b}$ والمتعددة الليبتونات. يتضمن ذلك تحديثات لتحليل $H \to b\bar{b}$ لتصحيح مساهمات الليبتونات المزيفة.

النتائج

• القناة الفردية ($H \to \tau\tau$): لم يتم رصد أي فائض معتبر فوق الخلفية المتوقعة. بلغت قوة الإشارة المقاسة $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. وقد تم وضع حد أقصى مرصود (متوقع) عند مستوى ثقة 95% (CL) لقوة الإشارة عند 8.6 (9.3) ضعف تنبؤ النموذج المعياري.
• القياس المدمج: ينتج عن دمج نتائج $H \to \tau\tau$ مع عمليات بحث ATLAS السابقة قوة إشارة مقاسة قدرها:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (stat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sys.)}$$
  وهذا يقابل دلالة مرصودة (متوقعة) قدرها 2.3 (0.8) انحراف معياري.
• الحدود المدمجة: الحد الأقصى المرصود (المتوقع) لـ 95% CL لقوة الإشارة المدمجة هو 6.1 (2.7) ضعف تنبؤ النموذج المعياري.
• الاتساق: قوة الإشارة المقاسة متوافقة مع تنبؤ النموذج المعياري عند مستوى 12%. وعند السماح لقوة إشارة $t\bar{t}H$ بأن تكون متغيرة، تظل النتائج دون تغيير إلى حد كبير، مما يؤكد متانة قياس $tH$ ضد مساهمات $t\bar{t}H$.

الأهمية
تدعي الورقة أن هذا الدمج يمثل أدق قياس لإنتاج $tH$ حتى الآن. ومن خلال دمج قناة $H \to \tau\tau$ الجديدة مع عمليات البحث الحالية، يحقق التحليل دقة محسنة بشكل كبير مقارنة بعمليات دمج Run 2 السابقة أو قياسات Run 3 الفردية. توفر النتيجة أقوى القيود حتى الآن على مقطع عرض الإنتاج $tH$ وإشارة اقتران يوكاوا للكوارك القمي ضمن إطار عمل ATLAS، مما يمهد الطريق لقياسات دقيقة في المستقبل في Run 3 وما بعدها.