Measurement of the Higgs boson production in association with top quarks in multilepton final states in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Medición de la producción del bosón de Higgs en asociación con quarks top en estados finales multileptónicos en colisiones $pp$a$\sqrt{s}=13$ TeV con el detector ATLAS

Problema y Motivación
Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, un objetivo primordial del programa de física del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha sido la medición precisa de sus propiedades. La interacción entre el bosón de Higgs y el quark top es de especial interés debido a la gran masa del quark top ($\approx 173$ GeV), lo que implica un fuerte acoplamiento al campo de Higgs en el Modelo Estándar (SM). Este acoplamiento es crucial para comprender la ruptura de la simetría electrodébil. Si bien la sección eficaz inclusiva de la producción de pares de quarks top y el bosón de Higgs ($t\bar{t}H$) permite una determinación directa del acoplamiento de Yukawa del quark top con menos suposiciones teóricas que los procesos inducidos por bucles, mediciones previas a $\sqrt{s}=13$ TeV utilizando conjuntos de datos de 36 fb$^{-1}$ y 137 fb$^{-1}$ mostraron fuerzas de señal compatibles con las predicciones del SM, pero ligeramente por encima de estas. Además, la naturaleza $CP$ del acoplamiento top-Higgs sigue siendo una cuestión abierta; mientras que el SM predice un escalar $CP$-par, los sectores extendidos del Higgs podrían introducir un estado con mezcla $CP$, proporcionando una fuente de violación de $CP$ necesaria para la bariogénesis. Este artículo presenta una medición utilizando el conjunto completo de datos del Run 2 (140 fb$^{-1}$) para mejorar la precisión de las secciones eficaces diferenciales e inclusivas de $t\bar{t}H$, buscar la producción de un solo top-Higgs ($tH$) y sondear la estructura $CP$ del acoplamiento de Yukawa top-Higgs.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS a $\sqrt{s}=13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$. El estudio se centra en estados finales multileptónicos donde el bosón de Higgs decae vía $H \to WW^*$, $H \to \tau^+\tau^-$ o $H \to ZZ^*$, y los quarks top decaen leptónicamente.

• Selección de Eventos y Categorización: Se definen seis canales distintos basados en el número y el sabor de los leptones reconstruidos ($\ell = e, \mu$) y los leptones $\tau$ con decaimiento hadrónico ($\tau_{had}$):

  1. $2\ell SS0\tau_{had}$ (dos leptones de mismo signo, sin $\tau_{had}$)
  2. $3\ell0\tau_{had}$ (tres leptones, sin $\tau_{had}$)
  3. $4\ell$ (cuatro leptones)
  4. $2\ell SS1\tau_{had}$ (dos leptones de mismo signo, un $\tau_{had}$)
  5. $1\ell2\tau_{had}$ (un leptón, dos $\tau_{had}$)
  6. $2\ell2\tau_{had}$ (dos leptones, dos $\tau_{had}$)
     Estos canales son estadísticamente independientes. La reconstrucción de objetos emplea criterios de identificación estrictos, incluyendo puntos de funcionamiento "Tight" y "Medium" para leptones y $\tau_{had}$, y algoritmos avanzados de etiquetado de $b$ (DL1r).

• Estimación de Fondos: Los fondos se categorizan como irreducibles (leptones prompt de $t\bar{t}W$, $t\bar{t}Z$, dibosones) o reducibles (leptones no-prompt, $\tau_{had}$ mal identificados, error de identificación de carga). Los fondos irreducibles se estiman mediante simulaciones de Monte Carlo (MC) normalizadas mediante un ajuste de verosimilitud simultáneo a los datos en regiones de control (CR) dedicadas. Los fondos reducibles, particularmente los leptones no-prompt y los $\tau_{had}$ mal identificados, se estiman mediante técnicas basadas en datos, incluyendo el método de factor de falsificación (fake-factor method) y CR específicas enriquecidas en estos procesos.

• Extracción de Señal y Discriminación: Se emplean técnicas de análisis multivariante (MVA), específicamente Árboles de Decisión Potenciados (BDT) y Redes Neuronales Profundas (DNN), para separar la señal del fondo.

  • Para la medición de la sección eficaz de $t\bar{t}H$, los eventos se categorizan según los valores de salida de estos MVA.
  • Para la medición diferencial en bins del momento transversal del bosón de Higgs ($p_T^H$) dentro del marco de la Sección Eficaz de Plantilla Simplificada (STXS), se entrena una Red Neuronal de Grafos (GNN) para estimar $p_T^H$ utilizando la información completa del evento (leptones, jets, $E_T^{miss}$) en canales donde la reconstrucción completa es ambigua.
  • Para la interpretación de $CP$, se entrenan BDT dedicados a la sensibilidad de $CP$ para distinguir entre hipótesis $CP$-par y $CP$-impar.

• Análisis Estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud de perfil combinado a través de todas las regiones de señal y de control. El ajuste extrae la fuerza de la señal ($\mu$), normaliza los procesos de fondo y restringe las incertidumbres sistemáticas (parámetros de molestia o nuisance parameters). Las incertidzas sistemáticas incluyen factores experimentales (escala de energía de los jets, identificación de leptones, luminosidad) y modelado teórico (lluvia de partones, PDFs, correcciones de orden superior).

Contribuciones Clave

1. Escala del Conjunto de Datos: Este análisis utiliza el conjunto completo de datos de ATLAS Run 2 (140 fb$^{-1}$), lo que representa un aumento significativo en la estadística comparado con mediciones previas de multileptones de $t\bar{t}H$.
2. Modelado Mejorado: El análisis se beneficia de un mejor etiquetado de sabor de jets, identificación de leptones y una comprensión refinada de los fondos dominantes ($t\bar{t}W$, $t\bar{t}Z$) derivados de mediciones dedicadas. Emplea un nuevo modelo de simulación y de incertidumbre sistemática, incluyendo la normalización in situ de los principales fondos.
3. Reconstrucción Avanzada: La introducción de una Red Neuronal de Grafos (GNN) para estimar el momento transversal del bosón de Higgs ($p_T^H$) permite una medición de la sección eficaz diferencial en el marco STXS, superando la dificultad de reconstruir completamente el sistema de Higgs en estados finales multileptónicos.
4. Interpretación Combinada: El artículo presenta una medición simultánea de las fuerzas de señal de $t\bar{t}H$ y $tH$ (específicamente el modo $tHqb$) y una búsqueda dedicada de violación de $CP$ utilizando el mismo conjunto de datos y definiciones de región.

Resultados

• Sección Eficaz Inclusiva: La sección eficaz inclusiva medida de $t\bar{t}H$ es $\sigma_{t\bar{t}H} = 321^{+102}_{-99}$ fb. Normalizada a la predicción del SM ($\sigma_{SM} = 507^{+35}_{-50}$ fb), la fuerza de la señal es $\sigma_{t\bar{t}H}/\sigma_{SM} = 0.63^{+0.20}_{-0.19}$. Esto corresponde a una significancia observada (esperada) de $3.3\sigma$ ($5.3\sigma$). El resultado es compatible con la hipótesis del SM, con una probabilidad de compatibilidad de 7.2%.
• Sección Eficacia Diferencial: La sección eficaz se mide diferencialmente en tres bins de $p_T^H$ (0–120 GeV, 120–200 GeV, >200 GeV). Los resultados muestran un excelente acuerdo con el SM para los bins de bajo y alto $p_T$, mientras que el bin intermedio ($120 < p_T^H < 200$ GeV) muestra un valor inferior al predicho, atribuido a fluctuaciones de datos hacia abajo en categorías específicas y anticorrelaciones entre bins. La compatibilidad del ajuste STXS con el SM es del 28%.
• Medición Combinada de $t\bar{t}H$ y $tH$: Un ajuste simultáneo arroja fuerzas de señal de $\mu_{t\bar{t}H} = 0.59^{+0.22}_{-0.20}$ y $\mu_{tHqb} = 7.2^{+4.6}_{-4.0}$. El resultado de $tHqb$ es consistente con mediciones previas de ATLAS que combinan multileptones y $H \to b\bar{b}$.
• Interpretación de $CP$: El análisis sondea el ángulo de mezcla $\alpha$ en el acoplamiento de Yukawa top-Higgs. Los resultados son compatibles con la hipótesis del SM ($CP$-par). La exclusión observada (esperada) de la hipótesis puramente $CP$-impar es de $1.8\sigma$ ($3.1\sigma$). Al nivel de confianza del 68%, se excluyen valores del ángulo de mezcla $|\alpha| > 62^\circ$ (exclusión esperada $|\alpha| > 43^\circ$).

Significancia
El artículo afirma que esta medición representa una mejora significativa respecto a análisis previos basados en conjuntos de datos más pequeños, ofreciendo una determinación más precisa del acoplamiento de Yukawa del quark top y sus propiedades de $CP$. Al combinar seis canales multileptónicos y utilizar técnicas avanzadas de aprendizaje automático para la supresión de fondos y la reconstrucción cinemática, el análisis proporciona una prueba robusta del Modelo Estándar en el sector top-Higgs. Los resultados, aunque muestran un valor central por debajo de la predicción del SM para la sección eficaz inclusiva, siguen siendo estadísticamente compatibles con el SM. La exclusión de grandes ángulos de mezcla de $CP$ restringe aún más los modelos de sectores de Higgs extendidos y posibles nuevas fuentes de violación de $CP$. La metodología, particularmente el uso de GNN para la estimación de $p_T^H$ y el tratamiento simultáneo de $t\bar{t}H$ y $tH$, establece un punto de referencia para futuras mediciones de precisión en este canal.