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

Technische Zusammenfassung: Suche nach der $tH$-Produktion im $H \to \tau\tau$-Zerfallskanal und Kombination mit anderen Suchen

Problem und Motivation
Die Yukawa-Kopplung des Higgs-Bosons an das Top-Quark ($y_t$) ist entscheidend für das Verständnis der Stabilität des elektroschwachen Vakuums und der Form des Higgs-Potenzials. Während die Produktion eines Higgs-Bosons in Verbindung mit einem Top-Antitop-Paar ($t\bar{t}H$) bereits beobachtet wurde, bleibt die Produktion eines Higgs-Bosons mit einem einzelnen Top-Quark ($tH$) bislang unentdeckt. Der $tH$-Prozess ist einzigartig empfindlich auf das Vorzeichen der Top-Quark-Yukawa-Kopplung aufgrund der destruktiven Interferenz zwischen Diagrammen, in denen das Higgs an das Top-Quark koppelt, und jenen, in denen es an das $W$-Boson koppelt. Dies macht $tH$ zu einer sensitiven Sonde für potenzielle neue Physik, wie etwa eine $CP$-ungerade Mischung in der Kopplung. Vorangegangene Suchen der ATLAS-Kollaboration in den Kanälen $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ und Multi-Lepton-Endzuständen ergaben Signalstärken, die mit dem Standardmodell (SM) vereinbar sind, jedoch mit begrenzter Signifikanz. Diese Arbeit adressiert die Notwendigkeit, die Sensitivität durch die Untersuchung des $H \to \tau\tau$-Zerfallskanals zu verbessern, insbesondere in Endzuständen, die hadronisch zerfallende $\tau$-Leptonen ($\tau_{\text{had}}$) enthalten, und durch die Kombination dieser Ergebnisse mit früheren ATLAS-Messungen.

Methodik
Die Analyse nutzt Proton-Proton-Kollisionsdaten, die mit dem ATLAS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 13$ TeV gesammelt wurden, was einer integrierten Luminosität von 140 fb$^{-1}$ (Run 2) entspricht. Die Suche konzentriert sich auf die $tHq$- und $tWH$-Produktionsmodi, bei denen das Higgs-Boson in ein $\tau$-Lepton-Paar zerfällt, wobei mindestens ein $\tau$ hadronisch zerfällt.

• Ereignisauswahl: Es werden zwei verschiedene Kanäle basierend auf der Topologie des Endzustands definiert:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: Ereignisse mit zwei „tight“ leichten Leptonen (Elektronen oder Myonen) und einem „tight“ $\tau_{\text{had}}$. Der Signalbereich (SR) erfordert, dass die beiden leichten Leptonen die gleiche elektrische Ladung (SS) besitzen, was die reduzierbaren Hintergründe signifikant unterdrückt.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: Ereignisse mit einem „tight“ leichten Lepton und zwei „tight“ $\tau_{\text{had}}$ entgegengesetzter Ladung.
  • Die Vorselektionskriterien beinhalten Anforderungen an den $p_T$ der Leptonen, die Isolation sowie das Vorhandensein von mindestens zwei Jets, von denen einer oder zwei als $b$-Jets identifiziert werden.
• Rekonstruktion:
  • Top-Quark: Rekonstruiert unter Verwendung des führenden $b$-Jets und des leichten Leptons. Das Neutrino aus dem Top-Zerfall wird basierend auf kinematischen Korrelationen mit dem geladenen Lepton abgeschätzt.
  • Higgs-Boson: Das Masse des $\tau\tau$-Systems wird mittels der Missing Mass Calculator (MMC)-Methode rekonstruiert, welche die sichtbaren $\tau$-Zerfallsprodukte und den fehlenden transversalen Impuls nutzt, der dem Higgs-System zugeschrieben wird.
• Multivariate Analyse: Um das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zu verbessern, werden künstliche neuronale Netze (NNs) separat für jeden Kanal trainiert. Die NNs unterscheiden zwischen $tH$-Signalereignissen und Hintergrundprozessen (die von $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+Jets und Dibosonen dominiert werden). Zu den Eingangsmerkmalen gehören kinematische Variablen der Endzustandsobjekte, der Spektator-Jet (charakteristisch für $tHq$) und rekonstruierte Massen.
• Hintergrundschätzung: Ein datengestützter Ansatz wird zur Schätzung der Hintergründe durch fehlidentifizierte leichte Leptonen und Fake-$\tau_{\text{had}}$ (Jets, die als $\tau$ fehlidentifiziert werden) verwendet. Normalisierungsfaktoren (NFs) werden in dedizierten Kontrollregionen (CRs) abgeleitet, die angereichert sind mit spezifischen Hintergrundtypen (z. B. Zerfälle schwerer Quarks, $\tau$-Fakes in verschiedenen $p_T$-Bins), und auf die Signalregionen angewendet.
• Statistische Kombination: Die Ergebnisse aus den $H \to \tau\tau$-Kanälen werden mit vorherigen ATLAS-Suchen in den $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ und Multi-Lepton-Kanälen kombiniert. Die Kombination berücksichtigt korrelierte systematische Unsicherheiten (experimentell und theoretisch) und verwendet einen Profile-Likelihood-Fit, um die Signalstärke ($\mu_{tH}$) zu extrahieren.

Wesentliche Beiträge

• Neuer Kanal: Diese Arbeit präsentiert die erste ATLAS-Suche nach der $tH$-Produktion im $H \to \tau\tau$-Zerfallskanal mit hadronischen $\tau$-Zerfällen unter Verwendung des vollständigen Run-2-Datensatzes.
• Verbesserte Hintergrundmodellierung: Die Analyse implementiert eine detaillierte datengestützte Schätzung von $\tau_{\text{had}}$-Fakes und fehlidentifizierten leichten Leptonen unter Verwendung mehrerer Kontrollregionen, um Normalisierungsfaktoren über verschiedene kinematische Regime hinweg zu bestimmen.
• Umfassende Kombination: Die Arbeit führt die umfassendste Kombination von $tH$-Suchen bis dato durch, indem sie die neuen $H \to \tau\tau$-Ergebnisse mit bisherigen ATLAS-Messungen in den $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ und Multi-Lepton-Endzuständen integriert. Dies beinhaltet auch Aktualisierungen der $H \to b\bar{b}$-Analyse zur Korrektur von Fake-Lepton-Beiträgen.

Ergebnisse

• Einzelner Kanal ($H \to \tau\tau$): Es wurde kein signifikanter Überschuss gegenüber dem erwarteten Hintergrund beobachtet. Die gemessene Signalstärke beträgt $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. Ein beobachtetes (erwartetes) Obergrenzenlimit bei 95 % CL auf die Signalstärke wird auf das 8,6-fache (9,3-fache) der SM-Vorhersage festgelegt.
• Kombinierte Messung: Die Kombination der $H \to \tau\tau$-Ergebnisse mit vorherigen ATLAS-Suchen ergibt eine gemessene Signalstärke von:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (stat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sys.)}$$
  Dies entspricht einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 2,3 (0,8) Standardabweichungen.
• Kombinierte Limits: Das kombinierte beobachtete (erwartete) 95 % CL Obergrenzenlimit auf die Signalstärke liegt bei 6,1 (2,7) Mal der SM-Vorhersage.
• Konsistenz: Die gemessene Signalstärke ist mit der SM-Vorhersage auf dem 12 %-Niveau kompatibel. Wenn man die $t\bar{t}H$-Signalstärke als frei variabel zulässt, bleiben die Ergebnisse weitgehend unverändert, was die Robustheit der $tH$-Messung gegenüber $t\bar{t}H$-Beiträgen bestätigt.

Bedeutung
Das Paper behauptet, dass diese Kombination die präziseste Messung der $tH$-Produktion bis zum heutigen Zeitpunkt darstellt. Durch die Integration des neuen $H \to \tau\tau$-Kanals mit bestehenden Suchen erreicht die Analyse eine signifikant verbesserte Präzision im Vergleich zu früheren Run-2-Kombinationen oder individuellen Run-3-Messungen. Das Ergebnis liefert die bisher stärksten Einschränkungen für den $tH$-Produktionsquerschnitt und das Vorzeichen der Top-Quark-Yukawa-Kopplung innerhalb des ATLAS-Rahmens und bereitet den Weg für zukünftige Präzisionsmessungen in Run 3 und darüber hinaus.