Search for Higgs boson decays into two neutral scalars with unequal masses in final states with b quarks and tau leptons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}$ = 13 TeV recolectados por el detector CMS, una búsqueda de desintegraciones del bosón de Higgs en dos escalares neutros de masas desiguales en estados finales que contienen quarks b y leptones tau no encontró un exceso significativo sobre el Modelo Estándar, lo que dio lugar al establecimiento de límites superiores al 95% de nivel de confianza sobre las secciones eficaces de producción relevantes y las fracciones de ramificación.

Lo esencial

Imagina que el universo es una pista de carreras gigante y de alta velocidad donde diminutas partículas zumban a casi la velocidad de la luz. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, los científicos hacen chocar protones entre sí, como dos coches chocando en cámara lenta, para ver qué pequeños fragmentos salen despedidos. Por lo general, estos choques producen el famoso bosón de Higgs, una partícula descubierta en 2012 que actúa como un "pegamento" cósmico que otorga masa a otras partículas.

Este artículo trata sobre una caza del tesoro específica y de alto riesgo: ¿Está el bosón de Higgs escondiendo secretamente una familia de primos más ligeros e invisibles?

La Gran Idea: La Teoría de la "Caja Mágica"

En las reglas estándar de la física (el Modelo Estándar), el bosón de Higgs es una partícula de un solo uso. Nace, decae y desaparece. Pero muchos científicos sospechan que existen reglas "más allá del Modelo Estándar". Piensan que el Higgs podría ser una "caja mágica" que, en lugar de simplemente desaparecer, se abre para revelar dos partículas más ligeras e invisibles (llamémoslas $\phi_1$ y $\phi_2$).

Piensa en el Higgs como un huevo pesado y dorado. Cuando se rompe, en lugar de simplemente desmoronarse en polvo, podría eclosionar dos huevos más pequeños y de diferente color.

• $\phi_2$ es el más pesado de los dos nuevos huevos.
• $\phi_1$ es el más ligero.

A veces, el huevo más pesado ($\phi_2$) es inestable y se rompe inmediatamente de nuevo para revelar dos huevos más de los ligeros ($\phi_1$). Esto se llama decaimiento en cascada (como una muñeca rusa que sigue abriéndose). Otras veces, el huevo más pesado simplemente se queda allí y decae directamente en materia normal.

El Trabajo de Detective: Siguiendo las Pistas

El problema es que estos nuevos "huevos" ($\phi_1$ y $\phi_2$) son invisibles para nuestros detectores. No podemos verlos directamente. Sin embargo, sabemos en qué se convierten finalmente. El artículo se centra en dos "huellas dactilares" específicas que dejan atrás:

1. Quarks bottom ($b$): Partículas pesadas que se convierten en chorros de escombros.
2. Leptones tau ($\tau$): Primos pesados del electrón que decaen rápidamente.

Los científicos están buscando una escena del crimen muy específica:

• Escenario A (La Cascada): El Higgs se divide en $\phi_1$ y $\phi_2$. El $\phi_2$ se divide de nuevo en dos $\phi_1$ más. Así, terminamos con tres partículas ligeras ($\phi_1$). Dos de ellas se convierten en pares de quarks bottom (4 en total), y una se convierte en un par de leptones tau.
  • Resultado: Un montón desordenado de 4 quarks bottom y 2 leptones tau.
• Escenario B (La División Directa): El Higgs se divide en $\phi_1$ y $\phi_2$. El $\phi_1$ se convierte en leptones tau, y el $\phi_2$ se convierte en quarks bottom.
  • Resultado: Un montón de 2 quarks bottom y 2 leptones tau.

El Desafío: Encontrar una Aguja en un Pajarral

El LHC es un lugar ruidoso. Cada segundo ocurren miles de millones de colisiones, pero el 99,9 % de ellas son solo "ruido de fondo" (como una multitud de gente gritando en un estadio). La señal que buscan los científicos es un susurro en esa multitud.

Para encontrarla, el equipo de CMS (el grupo de científicos que escribió este artículo) utilizó un conjunto de datos masivo equivalente a 138 "femtobarns inversos" de datos (una unidad de volumen de colisión) recopilados entre 2016 y 2018.

Tuvo que construir un filtro sofisticado para separar la señal del ruido:

1. El Disparador (Trigger): Como un portero en una discoteca, el sistema informático decide instantáneamente qué colisiones son lo suficientemente interesantes para guardarlas. Buscaron eventos con combinaciones específicas de electrones, muones y partículas tau.
2. El Filtro "Inteligente" (BDT): En lugar de simplemente establecer reglas simples (por ejemplo, "guardar si la energía es alta"), utilizaron un Árbol de Decisión Potenciado (BDT). Piensa en esto como un detective de IA superinteligente que examina docenas de pistas a la vez: cómo están espaciadas las partículas, sus ángulos, su energía faltante, y aprende a detectar los patrones sutiles del decaimiento de la "caja mágica" frente al ruido de fondo.
3. El Respaldo "Basado en Cortes": También probaron un método más simple (simplemente estableciendo reglas estrictas) para verificar su trabajo, aunque el método de IA fue mucho mejor para encontrar la señal.

El Veredicto: El Silencio del Higgs

Después de analizar los datos, los científicos buscaron un "bulto" en las estadísticas: un pico repentino en el número de eventos que coincidían con su patrón predicho de "caja mágica".

¿El resultado? Ningún bulto.

Los datos se veían exactamente como predijo el Modelo Estándar: solo ruido de fondo. No hubo evidencia de que el bosón de Higgs esté decayendo en estas partículas más ligeras de masa desigual.

¿Qué Significa Esto?

Dado que no encontraron la "caja mágica", no descubrieron nueva física. En su lugar, establecieron límites.

Imagina que estás buscando un tipo específico de ave rara en un bosque. No la encuentras. No puedes decir: "El ave no existe". Pero puedes decir: "Si el ave existe, es tan rara que la habría visto el 95 % de las veces si fuera común".

El artículo establece límites superiores estrictos sobre la frecuencia con la que podría estar ocurriendo este decaimiento exótico. Calculó que si este decaimiento "de Higgs a partículas ligeras" ocurre, debe ser menos de 0,9 a 36,8 veces por billón de bosones de Higgs producidos (dependiendo de la masa de las partículas).

Resumen

• El Objetivo: Verificar si el bosón de Higgs decae secretamente en dos partículas invisibles más ligeras y diferentes.
• El Método: Chocaron protones entre sí, buscaron escombros específicos (quarks bottom y leptones tau) y utilizaron IA para filtrar el ruido.
• El Resultado: No se encontraron nuevas partículas. El bosón de Higgs se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar en este escenario específico.
• La Conclusión: Hemos descartado una amplia gama de posibilidades para decaimientos "exóticos" del Higgs. Si estas partículas más ligeras existen, son aún más esquivas de lo que pensábamos, o no interactúan con el Higgs de la manera que predijo esta teoría.

Este es un resultado "negativo", pero en la ciencia, saber lo que no está allí es tan importante como saber lo que sí está. Les dice a los teóricos: "No pierdan el tiempo construyendo modelos que predigan este decaimiento específico; el universo dice que no está ocurriendo".

Resumen técnico

Resumen Técnico: Búsqueda de desintegraciones del bosón de Higgs en dos escalares neutros con masas desiguales

Problema y Motivación
Aunque el Modelo Estándar (ME) predice con éxito la existencia de un bosón de Higgs escalar ($H$) con una masa de 125 GeV, muchas teorías más allá del Modelo Estándar (BSM) proponen sectores escalares extendidos para abordar problemas sin resolver, como la materia oscura y la asimetría materia-antimateria. Estos modelos a menudo predicen que el bosón de Higgs observado se desintegra en partículas escalares neutras adicionales ligeras. Las búsquedas anteriores se han centrado en gran medida en desintegraciones simétricas ($H \to aa$) o en estados finales específicos. Sin embargo, modelos como el Modelo de Dos Singletes Reales (TRSM) predicen desintegraciones asimétricas en dos escalares neutros con masas no degeneradas ($H \to \phi_1\phi_2$, donde $m_{\phi_2} > m_{\phi_1}$). Dependiendo de la jerarquía de masas, $\phi_2$ puede sufrir una desintegración en cascada en $\phi_1\phi_1$ o desintegrarse directamente en fermiones del ME. Este artículo presenta la primera búsqueda utilizando datos de CMS para estas desintegraciones asimétricas en estados finales que contienen quarks $b$ y leptones $\tau$.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recopilados por el detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). La búsqueda se dirige a la producción del bosón de Higgs mediante fusión de gluones (ggF) y fusión de bosones vectoriales (VBF), seguida de la cadena de desintegración $H \to \phi_1\phi_2$.

Se investigan dos escenarios de desintegración distintos:

1. Escenario de Cascada ($m_{\phi_2} \ge 2m_{\phi_1}$): $\phi_2$ se desintegra en dos escalares $\phi_1$. La firma del estado final es $H \to \phi_1\phi_2 \to 3\phi_1 \to 2\tau 4b$.
2. Escenario No de Cascada ($m_{\phi_2} < 2m_{\phi_1}$): $\phi_2$ se desintegra directamente en partículas del ME. La firma del estado final es $H \to \phi_1\phi_2 \to 2\tau 2b$.

En ambos escenarios, se requiere que un $\phi_1$ se desintegre en un par de leptones $\tau$. El análisis considera tres estados finales basados en los modos de desintegración del $\tau$: $\mu\tau_h$, $e\tau_h$ y $e\mu$ (donde $\tau_h$ denota taus que se desintegran hadrónicamente).

Selección y Categorización de Eventos:
Los eventos se seleccionan utilizando requisitos de disparo de un solo leptón y de disparo cruzado. La selección en línea requiere dos candidatos a leptones (muón/electrón) y al menos un candidato a $\tau$ hadrónico, junto con al menos un jet etiquetado como $b$. Para mejorar la sensibilidad a la señal, los eventos se categorizan según el número de jets etiquetados como $b$ (1b o $\ge$2b) y el canal de desintegración específico.

Se emplea un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para discriminar entre la señal y el fondo. El BDT se entrena con variables cinemáticas que incluyen:

• La masa invariante visible del jet $b$ líder combinado y el candidato $\tau\tau$ ($m_{\text{vis}}(\tau\tau b_1)$).
• Variables de masa transversal ($m_T$) que involucran el momento transversal faltante ($p_T^{\text{miss}}$).
• La variable de alineación $D_\zeta$, que mide la alineación de $p_T^{\text{miss}}$ con el sistema $\tau\tau$.
• Separaciones angulares ($\Delta R$) entre objetos y la variable $\Delta m$ (diferencia de masa normalizada entre pares de jets $b$ y el sistema $\tau\tau$).

La puntuación del BDT se utiliza para definir Regiones de Señal (SR) con umbrales variables para cada canal y multiplicidad de jets $b$. También se realiza un análisis basado en cortes como verificación cruzada.

Estimación del Fondo:
Los fondos principales incluyen Drell–Yan ($Z/\gamma^* \to \tau\tau$), producción de pares de quarks top ($t\bar{t}$), top único y procesos de dibosones.

• El fondo de $Z/\gamma^* \to \tau\tau$ se estima utilizando una técnica de incrustación donde los muones de los datos se reemplazan con desintegraciones de tau simuladas.
• Los fondos procedentes de jets mal identificados como $\tau_h$ se estiman utilizando métodos basados en datos en regiones laterales.
• Los fondos de multijet QCD en el canal $e\mu$ se estiman utilizando regiones de control de mismo signo.

Contribuciones y Resultados Clave
El análisis realiza un ajuste de verosimilitud máxima binned a la distribución de la masa invariante reconstruida $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) en las SR definidas. No se observa ningún exceso estadísticamente significativo sobre la expectativa del fondo del ME.

Se establecen límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) sobre el producto de la sección eficaz de producción del Higgs ($\sigma$) y las fracciones de ramificación relevantes:

• Cascada: $\sigma \mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2 \to 3\phi_1 \to 2\tau 4b)$
• No de Cascada: $\sigma \mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2) \mathcal{B}(\phi_1 \to 2\tau) \mathcal{B}(\phi_2 \to 2b)$

Los límites superiores observados oscilan entre 0.9 y 36.8 pb, dependiendo de la hipótesis de masa ($m_{\phi_1}, m_{\phi_2}$) y del escenario de desintegración. La sensibilidad está dominada por las incertidumbres estadísticas y las incertidumbres de normalización del fondo de $\tau_h$ mal identificados.

Para la hipótesis de masa no de cascada más sensible ($m_{\phi_1}=30$ GeV, $m_{\phi_2}=40$ GeV), el límite superior observado sobre el producto de fracciones de ramificación es aproximadamente del 1.6% (asumiendo secciones eficaces de producción del ME). Cuando se interpreta dentro del escenario de referencia BP1 del TRSM, esto excluye valores de $\mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2)$ superiores al 27.3% para este punto de masa específico.

Significado
Este trabajo representa la primera búsqueda utilizando datos de CMS de desintegraciones exóticas del bosón de Higgs en dos partículas escalares neutras ligeras de masas desiguales en estados finales que involucran quarks $b$ y leptones $\tau$. El estudio amplía las restricciones anteriores sobre desintegraciones exóticas del Higgs al explorar la región de masa asimétrica y la topología de desintegración en cascada. Los resultados proporcionan límites independientes del modelo que pueden utilizarse para restringir diversos escenarios BSM, incluido el TRSM, el NMSSM y modelos con partículas tipo axión. Se demuestra que el enfoque basado en BDT mejora la sensibilidad entre un 20–30% en comparación con un método tradicional basado en cortes.