Search for decays of the Higgs boson into scalar particles decaying into four or six $b$-quarks using $pp$ collisions at $\sqrt{s}= 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Búsqueda de desintegraciones del bosón de Higgs en partículas escalares que se desintegran en cuatro o seis quarks $b$

Problema y Motivación
Tras el descubrimiento del bosón de Higgs ($H$) con una masa cercana a 125 GeV, la caracterización de sus propiedades sigue siendo un objetivo primordial del programa del LHC. Si bien el Modelo Estándar (SM) predice modos de desintegración específicos, la pequeña anchura total del bosón de Higgs ($\Gamma_H \approx 4$ MeV) lo hace altamente sensible a la nueva física. Incluso los acoplamientos pequeños con partículas más allá del Modelo Estándar (BSM) pueden dar lugar a fracciones de ramificación considerables para desintegraciones exóticas. Este artículo investiga escenarios en los que el bosón de Higgs se desintegra en nuevas partículas escalares o pseudoscalares ligeras, denominadas bosones-$a$. Estos escenarios surgen en diversos marcos teóricos, incluyendo sectores de Higgs extendidos, modelos de materia oscura y teorías de naturalidad neutra.

El análisis se centra en tres topologías de desintegración específicas:

1. $H \to 2a \to 4b$: El Higgs se desintegra en dos escalares idénticos, cada uno de los cuales se desintegra en un par $b\bar{b}$.
2. $H \to a_1 a_2 \to 4b$: El Higgs se desintegra en dos escalares de masas diferentes ($m_{a_1} < m_{a_2}$), ambos desintegrándose en $b\bar{b}$.
3. $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: El escalar más pesado ($a_2$) se desintegra en dos escalares más ligeros ($a_1$), resultando en un estado final de seis quarks $b$.

La búsqueda se dirige a la producción asociada del bosón de Higgs con un bosón $Z$ ($ZH$), donde el bosón $Z$ proporciona un disparador (trigger) y suprime los fondos de quarks top. El análisis cubre el rango de masa $12 < m_a < 60$ GeV utilizando datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Metodología
El análisis utiliza 140 fb$^{-1}$ de datos recolectados por el detector ATLAS durante la Fase 2 de ejecución (Run 2, 2015–2018). Para abordar los desafíos planteados por el bajo momento transversal de los quarks $b$ en estas desintegraciones y la alta multiplicidad del estado final, el análisis emplea varias técnicas de reconstrucción novedosas y categoriza los eventos según el modo de desintegración del bosón $Z$ ($2\ell$ para leptones cargados, $0\ell$ para neutrinos) y la multiplicidad de quarks $b$.

• Reconstrucción de objetos y etiquetado de sabor pesado:

  • Régimen fusionado ($m_a \lesssim 20$ GeV): Para los bosones de baja masa, los productos de desintegración están altamente colimados. Se utiliza un algoritmo dedicado, DeXTer, para identificar jets de "doble quark $b$" ($B$-jets) mediante la reconstrucción de vértices secundarios dentro de track-jets de radio grande ($R$) y el uso de redes neuronales de conjunto profundo para distinguir la hadronización $b\bar{b}$ fusionada de los jets de un solo $b$.
  • Régimen resuelto ($m_a \gtrsim 25$ GeV): Algoritmos estándar de etiquetado de quarks $b$ (DL1r) identifican jets $b$ individuales.
  • Vértices secundarios blandos: Para mejorar la sensibilidad a los estados finales de alta multiplicidad, se utilizan vértices secundarios blandos (soft secondary vertices) reconstruidos fuera de los jets (soft-v) para capturar las desintegraciones de hadrones $b$ que no forman jets energéticos.
  • Objetos $b$: Se introduce un concepto unificado de "objetos $b$", que abarca $B$-jets (que producen dos objetos $b$), jets $b$ estándar y vértices blandos.

• Selección y categorización de eventos:

  • Canal $2\ell$: Se seleccionan eventos con dos leptones de mismo sabor y carga opuesta. Una Red Neuronal de selección de cuadruplete (NN) se entrena para identificar la combinación óptima de cuatro objetos $b$ (provenientes de $B$-jets, jets $b$ o soft-v) consistente con la hipótesis de la señal. Esta NN es invariante ante permutaciones de los objetos $b$ y los bosones $a$.
  • Canal $0\ell$: Se seleccionan eventos con un gran momento transversal faltante ($E_T^{miss}$). Este canal se utiliza exclusivamente para la búsqueda de $H \to 2a \to 4b$. Los eventos se categorizan por el número de $B$-jets y jets $b$.
  • Búsqueda de $6b$: Para la topología $H \to a_1 a_2 \to 6b$, la reconstrucción completa es rara. En su lugar, los eventos se categorizan basándose en la multiplicidad de objetos $b$ reconstruidos sin intentar identificar los seis.

• Estimación de fondo y discriminación:

  • Los fondos principales incluyen la producción de $Z$+jets y $t\bar{t}$. Se aplican correcciones basadas en datos a las simulaciones de Monte Carlo (MC) para dar cuenta de la modelización errónea de las multiplicidades de jets de sabor pesado y las propiedades cinemáticas (por ejemplo, $H_T$ y $p_T^Z$).
  • Para el canal $0\ell$, el fondo de QCD multijet se estima mediante un método ABCD basado en la separación azimutal entre el $E_T^{miss}$ y los candidatos a $a$.
  • La discriminación de la señal se realiza mediante un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) entrenado en variables cinemáticas como masas reducidas ($m_{red}$), separaciones angulares y la puntuación de la NN de selección de cuadruplete.

Contribuciones Clave

1. Novedosas técnicas de reconstrucción: La aplicación del algoritmo DeXTer para los $B$-jets fusionados de baja masa y la inclusión de vértices secundarios blandos mejoran significativamente la sensibilidad en el régimen de baja masa ($m_a < 20$ GeV) y para estados finales de alta multiplicidad.
2. Primera búsqueda de $0\ell$ en desintegraciones exóticas: Este es el primer estudio de desintegraciones exóticas del bosón de Higgs en el modo de producción $ZH$ utilizando el canal $0\ell$ (neutrinos), proporcionando una sonda complementaria al canal $2\ell$.
3. Cobertura de topología extendida: Este análisis es el primero en buscar la topología $H \to a_1 a_2 \to 6b$ y la topología $H \to a_1 a_2 \to 4b$ con diferentes masas de escalares en todo el rango de masa $12 < m_a < 60$ GeV.
4. Combinación exhaustiva: Los resultados combinan los canales $0\ell$ y $2\ell$, aprovechando regiones de señal ortogonales y modelos de incertidumbre sistemática compartidos para maximizar la sensibilidad.

Resultos
No se observó un exceso significativo de eventos por encima de la expectativa del fondo del Modelo Estándar en ninguno de los canales de búsqueda. En consecuencia, se establecieron límites de nivel de confianza (CL) del 95% sobre la relación entre la sección eficaz de producción y la predicción del SM multiplicada por la relación de ramificación ($\sigma(ZH)/\sigma_{SM}(ZH) \times \mathcal{B}$):

• $H \to 2a \to 4b$: Los límites oscilan entre el 4% y el 25% para $12 \le m_a \le 60$ GeV. La combinación de los canales $0\ell$ y $2\ell$ mejora el límite aproximadamente un 15% en $m_a = 12$ y 16 GeV en comparación con el canal $2\ell$ por sí solo.
• $H \to a_1 a_2 \to 4b$: Los límites oscilan entre el 24% y el 38% para las hipótesis de masa probadas.
• $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: Los límites oscilan entre el 10% y el 20% para las hipótesis de masa probadas.

Las mayores desviaciones locales de la hipótesis de solo fondo se observaron en el canal $2\ell$ para el caso $H \to 2a \to 4b$ en $m_a = 25$ GeV (significancia local de 2.83$\sigma$) y para el caso $H \to a_1 a_2 \to 4b$ en $(m_{a_1}, m_{a_2}) = (50, 70)$ GeV (significancia local de 3.28$\sigma$). Sin embargo, las significancias globales (2.04$\sigma$ y 2.57$\sigma$, respectivamente) permanecen por debajo del umbral de descubrimiento.

Significancia
Este trabajo extiende la sensibilidad de las búsquedas previas de ATLAS para $H \to 2a \to 4b$ por un factor de 5–15, dependiendo de la hipótesis de masa, al incorporar un conjunto de datos más grande y algoritmos avanzados de reconstrucción de sabor pesado. Al explorar el estado final $6b$ y el modo de producción $0\ell$, el análisis explora regiones previamente inexploradas del espacio de parámetros para las desintegraciones del bosón de Higgs en escalares ligeros. Los resultados proporcionan restricciones estrictas sobre los modelos que predicen sectores de Higgs extendidos y partículas del sector oculto, contribuyendo al programa general de caracterización del bosón de Higgs y la búsqueda de nueva física.