Improved analysis of non-resonant Higgs boson pair production in the $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ final state with $196$ fb$^{-1}$ of data collected at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Análisis Mejorado de la Producción No Resonante de Pares de Bosones de Higgs en el Estado Final $b\bar{b}\tau^+\tau^-$

Problema y Motivación
La medición del autoacoplamiento del bosón de Higgs es un objetivo crítico en la física de partículas, ya que sondea la forma del potencial de Higgs y el mecanismo de la ruptura de la simetría electrodébil. Si bien el bosón de Higgs fue descubierto en 2012, su acoplamiento trilineal ($\lambda_{HHH}$) permanece débilmente restringido. El método más directo para acceder a este acoplamiento en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es mediante la medición de la producción no resonante de pares de Higgs ($HH$). El estado final $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ es uno de los canales más sensibles para esta búsqueda, ofreciendo un compromiso favorable entre el rendimiento de la señal y la pureza. Este artículo presenta una búsqueda actualizada de la producción no resonante de $HH$ en este estado final, utilizando el conjunto completo de datos de la Fase 2 (Run 2) y los datos tempranos de la Fase 3 (Run 3) recolectados por el detector ATLAS.

Metodología y Estrategia de Análisis
El análisis utiliza $140\,\text{fb}^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}=13\,\text{TeV}$ (Run 2, 2015–2018) y $56\,\text{fb}^{-1}$ a $\sqrt{s}=13.6\,\text{TeV}$ (Run 3, 2022–2023). El estudio se centra en dos canales de decaimiento basados en los modos de decaimiento del leptón $\tau$: $\tau_{\text{lep}}\tau_{\text{had}}$ (uno leptónico, uno hadrónico) y $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$ (ambos hadrónicos).

Las mejoras metodológicas clave respecto a los resultados previos de ATLAS incluyen:

1. Análisis Multivariante (MVA): Se emplea una novedosa arquitectura basada en transformers para la categorización de eventos y la discriminación señal-fondo. Esto reemplaza a los árboles de decisión potenciados (boosted decision trees) utilizados en análisis anteriores. El modelo transformer procesa tanto características por objeto (jets, candidatos a $\tau$, leptones, momento transversal faltante) como características globales del evento para capturar correlaciones complejas. La red se entrena con cuatro cabezales de salida: un clasificador multiclase (que distingue entre fondo, SM ggF, SM VBF y BSM ggF con $\kappa_\lambda=5$), un clasificador binario para la región de alta masa ($m_{HH} > 350\,\text{GeV}$), y dos tareas auxiliares para la ascendencia de quarks top y del bosón de Higgs.
2. Categorización de Eventos: Los eventos se asignan a tres regiones de señal (SR) mutuamente excluyentes basadas en las salidas del transformer y la masa invariante reconstruida de $HH$($m_{HH}$):
   • SR VBF: Apunta a la topología de Fusión de Bosones Vectoriales ($S_{\text{cat}} < 0.1$).
   • SR Hi: Apunta a eventos ggF de alta masa ($m_{HH} > 350\,\text{GeV}$) recolectados mediante disparadores (triggers) principales.
   • SR Lo: Contiene los eventos restantes, sensible a valores anómalos de $\kappa_\lambda$.
3. Reconstrucción y Selección de Objetos: El análisis incorpora algoritmos de etiquetado de sabor basados en el transformer GN2 para la identificación de $b$-jets. Los candidatos a $\tau$ hadrónicos se reconstruyen utilizando una red neuronal recurrente (RNN). Se utiliza el Calculador de Masa Faltante (MMC) para reconstruir la masa invariante di-$\tau$, mejorando significativamente la resolución de la masa.
4. Estimación de Fondo: Los principales fondos ($t\bar{t}$, $Z$+jets, dibosones, Higgs único) se estiman mediante simulaciones de Monte Carlo corregidas por métodos basados en datos cuando es necesario. Específicamente, los fondos de $\tau_{\text{had}}$ falsos (provenientes de jets mal identificados como $\tau$s) se estiman mediante métodos de factores de falsos (fake-factor) basados en datos en regiones de control dedicadas. La normalización del fondo $t\bar{t}$ está restringida por una región de control de $t\bar{t}$ dedicada.
5. Validación: La estrategia de análisis se valida midiendo la producción de $ZZ$y$ZH$ en el mismo estado final utilizando la misma selección de eventos y estrategia MVA.

Resultados Clave
El análisis arroja los siguientes resultados primarios:

• Fuerza de la Señal: La fuerza de la señal medida para la producción de $HH$ es $\mu_{HH} = 2.6^{+1.4}_{-1.0}$, donde la incertidumbre incluye componentes tanto estadísticos como sistemáticos. Este resultado es consistente con la predicción del Modelo Estándar (SM) ($\mu_{HH}=1$) dentro de 1.65 desviaciones estándar.
• Significancia: Respecto a la hipótesis de solo fondo, la significancia observada es de 2.6 desviaciones estándar, comparada con una significancia esperada de 1.2 desviaciones estándar.
• Restricciones de Acoplamiento: Asumiendo que todos los demás acoplamientos de Higgs son similares al SM, el intervalo de confianza al 95% observado para el modificador del autoacoplamiento trilineal es $\kappa_\lambda \in [-3.4, 1.6] \cup [5.5, 10.1]$. El intervalo esperado es $\kappa_\lambda \in [-1.7, 8.5]$. El modificador del acoplamiento cuártico está restringido a $\kappa_{2V} \in [-0.2, 2.4]$ (observado) y $[0.0, 2.1]$ (esperado).
• Límites Superiores: El límite superior al 95% CL observado para la fuerza de la señal es $\mu_{HH} < 5.3$, frente a un límite esperado de 2.4 bajo la hipótesis de solo fondo.
• Mediciones de Validación:
  • Producción $ZH$: Se observa evidencia para la producción $ZH \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$ con una significancia de 3.5 desviaciones estándar (esperada 2.4), con una fuerza de señal medida de $\mu_{ZH} = 1.52^{+0.52}_{-0.48}$.
  • Producción $ZZ$: El proceso $ZZ \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$ se mide con una significancia observada de 1.8 desviaciones estándar (esperada 2.7), con $\mu_{ZZ} = 0.64^{+0.39}_{-0.36}$. Ambas mediciones son consistentes con las predicciones del SM.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que este análisis representa una mejora significativa en la sensibilidad respecto a la búsqueda previa de ATLAS en el mismo estado final, con mejoras en la significancia esperada que oscilan entre el 15% y el 65% dependiendo del parámetro de interés. Los autores atribuyen estas ganancias a:

1. La inclusión del conjunto de datos de Run 3 ($56\,\text{fb}^{-1}$ a 13.6 TeV).
2. La implementación del MVA basado en transformers, que proporciona un aumento de sensibilidad del 15–20%.
3. Las actualizaciones en el algoritmo de etiquetado de sabor (GN2), que mejoran la sensibilidad aproximadamente un 10%.
4. La eliminación del veto de electrones en el canal $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$, lo que genera una ganancia de ~5%.
5. Estrategias de disparo (trigger) mejoradas en Run 3.

La observación de la producción $ZH$ en el canal $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ con una significancia que supera las 3 desviaciones estándar se destaca como una primera observación en este estado final específico, sirviendo como una validación robusta de la metodología de análisis. Los resultados proporcionan las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre el autoacoplamiento de Higgs desde el canal $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ por sí solo, contribuyendo a la imagen global de las propiedades del bosón de Higgs.