⚛️ high-energy experiments

Search for a Higgs boson produced in association with a charm quark and decaying to a W boson pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV recolectados por el detector CMS, este artículo busca bosones de Higgs producidos en asociación con un quark charm y que decaen en un par de bosones W, estableciendo un límite superior observado de nivel de confianza del 95% de $|\kappa_\mathrm{c}| < 211$ sobre el modificador de la fuerza de acoplamiento Yukawa Higgs-charm, el cual mejora a $|\kappa_\mathrm{c}| < 47$ cuando se combina con los resultados previos del canal de fotones dobles.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-08-24

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CC BY 4.0

Autores originales: CMS Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Durante más de una década, la comunidad científica ha estado escudriñando los componentes fundamentales del universo, guiada por un marco teórico conocido como el Modelo Estándar. Este modelo actúa como una tabla periódica para el mundo subatómico, catalogando las partículas que componen la materia y las fuerzas que gobiernan sus interacciones. En el corazón de este marco se encuentra el bosón de Higgs, una partícula descubierta en 2012 que es responsable de otorgar masa a otras partículas. Si bien el bosón de Higgs interactúa fuertemente con partículas pesadas como el quark cima y el quark fondo, su relación con las partículas más ligeras sigue siendo un misterio. Una de las conexiones más elusivas es el vínculo entre el bosón de Higgs y el quark encanto, una partícula más ligera que es sorprendentemente difícil de detectar debido a que es muy común en la naturaleza. Comprender esta interacción específica es crucial porque cualquier desviación de las predicciones del Modelo Estándar podría insinuar una nueva física no descubierta que se encuentra más allá de nuestro entendimiento actual.

Un investigador que trabaja con el detector Compact Muon Solenoid, o CMS, en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza, ha dado ahora un paso significativo hacia la resolución de este rompecabezas. Realizó una búsqueda masiva de un evento específico: un bosón de Higgs siendo creado junto a un quark encanto. En las colisiones de protones de alta energía dentro del colisionador, el bosón de Higgs suele producirse en asociación con otras partículas pesadas, pero el equipo se centró en las raras instancias donde aparece con un quark encanto. Para encontrar esta señal, buscaron un patrón de desintegración muy específico. Cuando el bosón de Higgs se crea, se desintegra casi inmediatamente en dos bosones W, que son portadores de la fuerza nuclear débil. Estos bosones W se desintegran posteriormente, con uno convirtiéndose en un electrón y un neutrino, y el otro en un muón y un neutrino. Los investigadores filtraron los datos correspondientes a 138 mil billones de colisiones, recolectadas entre 2016 y 2018, buscando esta firma única de un electrón, un muón y un chorro (jet) de quark encanto, todo ello acompañado de energía faltante transportada por los neutrinos invisibles.

El desafío en esta búsqueda fue inmenso porque la señal que perseguían es increíblemente tenue, sepultada bajo una montaña de ruido de fondo proveniente de otras interacciones de partículas comunes. Para separar la rara señal del ruido, emplearon algoritmos informáticos sofisticados entrenados para reconocer las sutiles diferencias entre los eventos deseados y el abrumador fondo. Categorizaron los datos basándose en cuántos chorros de quark encanto fueron detectados y utilizaron métodos estadísticos para comparar lo observado frente a lo que el Modelo Estándar predice. El análisis reveló que el número de eventos encontrados fue consistente con el ruido de fondo por sí solo; no encontraron un exceso claro de eventos que indicara la presencia del bosón de Higgs producido con un quark encanto.

Debido a que no se encontró una señal clara, el investigador estableció límites superiores estrictos sobre la frecuencia con la que este evento podría estar ocurriendo. Determinaron que, si este proceso ocurre, sucede no más de aproximadamente 1,065 veces con mayor frecuencia de lo que predice el Modelo Estándar, con un nivel de confianza del 95 por ciento. Cuando combinaron estos resultados con una búsqueda previa del mismo fenómeno pero en un canal de desintegración diferente que involucraba dos fotones, las restricciones se volvieron aún más estrictas. El análisis combinado sugiere que la fuerza de la interacción entre el bosón de Higgs y el quark encanto es menor a 47 veces la fuerza predicha por el Modelo Estándar. Aunque esto aún no prueba la existencia de nueva física, estrecha significativamente la ventana donde dicha nueva física podría esconderse. El estudio demuestra que incluso con los detectores y técnicas de análisis más avanzados, el quark encanto sigue siendo un compañero obstinadamente difícil para que el bosón de Higgs revele su naturaleza, requiriendo conjuntos de datos aún más grandes y métodos más refinados en el futuro para finalmente determinar la naturaleza exacta de su conexión.

Resumen Técnico: Búsqueda de un bosón de Higgs producido en asociación con un quark charm que decae a un par de bosones W

Problema y Motivación
Desde el descubrimiento del bosón de Higgs, las mediciones precisas de sus acoplamientos con las partículas del Modelo Estándar (SM) se han convertido en un objetivo primordial. Mientras que los acoplamientos con fermiones y bosones de tercera generación están bien establecidos, las restricciones directas sobre el acoplamiento Yukawa al quark charm ( $\kappa_c$ ) siguen siendo un desafío. Las búsquedas directas previas de decaimientos $H \to c\bar{c}$ han mejorado significamente con técnicas avanzadas de etiquetado de charm, pero el acoplamiento al quark charm también es accesible mediante la producción asociada de un bosón de Higgs con un quark charm ( $cH$ ). Este canal sondea $\kappa_c$ a través de la radiación de un bosón de Higgs desde un quark charm en el estado inicial. Este artículo presenta una búsqueda de la producción de $cH$ donde el bosón de Higgs decae a un par de bosones $W$ ( $H \to WW$ ), con un $W$ decayendo a un par electrón-neutrino y el otro a un par muón-neutrino ( $e\nu\mu\nu$ ). Este estado final específico se elige para suprimir el fondo dominante de $Z$ +jets, que afecta predominantemente a los canales de dileptones de mismo sabor.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante los periodos de toma de datos de 2016, 2017 y 2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb $^{-1}$ .

Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan requiriendo exactamente un electrón aislado y un muón aislado con cargas opuestas. Los requisitos cinemáticos incluyen un leptón líder $p_T > 25$ GeV, un leptón sublendero $p_T > 15$ GeV, momento transverso faltante ( $p_T^{miss}$ ) $> 20$ GeV, y una masa transversal del leptón sublendero $m_{T}^{\ell_2} > 30$ GeV.
Identificación de Jets de Charm: Los jets se reconstruyen utilizando el algoritmo anti- $k_T$ . Los jets de charm ( $c$ -jets) se identifican utilizando el algoritmo DEEPJET, un etiquetador basado en redes neuronales profundas. Los eventos deben contener al menos un jet que satisfaga $p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2.4$ y umbrales de discriminante específicos ($CvsL > 0.12 $y$ CvsB > 0.5$) para asegurar la eficiencia de etiquetado de charm mientras se suprimen los errores de identificación de sabor ligero y de $b$ -jets.
Regiones de Señal (SRs) y Regiones de Control (CRs): Los eventos se categorizan en dos SRs basadas en el número de jets de charm identificados ( $N_{c-j} = 1$ y $N_{c-j} > 1$ ) y en dos CRs (dileptón de alta masa y enriquecida en top) para constreñir las normalizaciones de fondo. El fondo dominante es la producción de $t\bar{t}$ , que contribuye con aproximadamente el 90% del fondo total.
Análisis Multivariante: Se emplean dos clasificadores de Árboles de Decisión Potenciados (BDT):
1. $D_{bkg}$ : Distingue la señal de $cH$ de los fondos no relacionados con el Higgs (por ejemplo, $t\bar{t}$ , top simple, dibosón, $V$ +jets).
2. $D_{H-bkg}$ : Separa la señal de $cH$ de otros procesos de producción de bosones de Higgs (por ejemplo, $ggH$, $VBF$ , $VH$ , $t\bar{t}H$ , y $bH$ ).
  La salida de estos clasificadores se combina utilizando un algoritmo de agrupamiento $k$ -means para crear una distribución de bins 1D para el ajuste estadístico final.
Simulación y Modelado de Fondo: Los procesos de señal ( $cH$ ) y fondo se simulan utilizando varios generadores (MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, SHERPA) con PYTHIA 8 para el choque de partones y la hadronización. Las incertidumbres teóricas respecto a los esquemas de sabor pesado (4 sabores frente a 3 sabores para $cH$ ) y el modelado de sabor pesado en $H$ +jets se tratan como incertidumbres de forma significativas.

Contribuciones Clave y Resultados
El análisis realiza un ajuste de máxima verosimilitud binned simultáneo en todas las regiones de señal y de control. Se evalúan dos escenarios:

Ajuste 1POI: La normalización del fondo $H$ +charm ( $H+c$ -bkg) se fija a la predicción del SM.
Ajuste 2POI: La normalización del $H+c$ -bkg se permite fluctuar, probando posibles correlaciones entre la señal y el componente de fondo.

Resultos:

Fuerza de la Señal ( $\mu_{cH}$ ): En el escenario 1POI, el límite superior observado (esperado) sobre la fuerza de la señal relativa al SM es 1065 (506). La fuerza de la señal medida es $\mu_{cH} = 390^{+380}_{-270}$ , consistente con el SM dentro de 1.5 desviaciones estándar. La sensibilidad está dominada por la categoría $N_{c-j} = 1$ .
Modificador de Acoplamiento ( $\kappa_c$ ): Bajo la suposición de dirección plana (donde otros acoplamientos de Higgs se ajustan para mantener otras fuerzas de señal en la unidad), la restricción observada (esperada) sobre el modificador del acoplamiento Yukawa de charm es $|\kappa_c| < 211$ (95) al 95% de nivel de confianza (CL).
Análisis Combinado: Al combinarse con la búsqueda previa de CMS para la producción de $cH$ en el canal de decaimiento de fotones, los límites mejoran. El límite superior observado (esperado) combinado de $\mu_{cH}$ es 257 (281), lo que se traduce en restricciones sobre el modificador de acoplamiento de $|\kappa_c| < 47$ (51) al 95% CL.

Significancia
Este artículo presenta la primera búsqueda de la producción de $cH$ con el bosón de Higgs decayendo a $WW$ . Si bien los límites actuales aún no son competitivos con las búsquedas directas de $H \to c\bar{c}$ o las restricciones indirectas, este canal proporciona una sonda alternativa y complementaria del acoplamiento Yukawa Higgs-charm. El análisis demuestra la capacidad de aislar la producción de $cH$ en un estado final complejo dominado por el fondo de $t\bar{t}$ utilizando técnicas avanzadas de aprendizaje automático y selecciones cinemáticas específicas. El artículo señala que la sensibilidad está actualmente limitada por las incertidumbres estadísticas en los datos y por las significativas incertidumbres teóricas relacionadas con el modelado de sabor pesado. Se anticipan mejoras futuras con conjuntos de datos más grandes del High-Luminosity LHC y avances en los algoritmos de identificación de jets de sabor pesado.

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