Search for $\textit{tH}$ production in the $H \to \tau\tau$ decay mode, and a combination with other searches, using $\textit{pp}$ collisions at 13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Búsqueda de la producción de $tH$ en el modo de desintegración $H \to \tau\tau$ y combinación con otras búsquedas

Problema y Motivación
El acoplamiento de Yukawa del bosón de Higgs al quark top ($y_t$) es crítico para comprender la estabilidad del vacío electrodébil y la forma del potencial del Higgs. Si bien se ha observado la producción de un bosón de Higgs asociado con un par top-antiquark ($t\bar{t}H$), la producción de un bosón de Higgs con un solo quark top ($tH$) sigue siendo esquiva. El proceso $tH$ es unívocamente sensible al signo del acoplamiento de Yukawa del quark top debido a la interferencia destructiva entre los diagramas donde el Higgs se acopla al quark top y aquellos donde se acopla al bosón $W$. Esto convierte al $tH$ en una sonda sensible para la nueva física potencial, como una mezcla $CP$-impar en el acoplamiento. Las búsquedas previas realizadas por la Colaboración ATLAS en los modos de desintegración $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ y estados finales multileptónicos han arrojado intensidades de señal compatibles con el Modelo Estándar (SM), pero con una significancia limitada. Este artículo aborda la necesidad de mejorar la sensibilidad apuntando al modo de desintegración $H \to \tau\tau$, específicamente en estados finales que contienen leptones $\tau$ con desintegración hadrónica ($\tau_{\text{had}}$), y combinando estos resultados con mediciones previas de ATLAS.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector ATLAS a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondiente a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$ (Run 2). La búsqueda se centra en los modos de producción $tHq$y$tWH$, donde el bosón de Higgs se desintegra en un par de leptones $\tau$, con al menos un $\tau$ desintegrándose hadrónicamente.

• Selección de Eventos: Se definen dos canales distintos basados en la topología del estado final:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: Eventos con dos leptones ligeros estrictos (electrones o muones) y un $\tau_{\text{had}}$ estricto. La región de señal (SR) requiere que los dos leptones ligeros tengan la misma carga eléctrica (SS), lo que suprime significativamente los fondos reducibles.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: Eventos con un leptón ligero estricto y dos $\tau_{\text{had}}$ estrictos de carga opuesta.
  • Los criterios de preselección incluyen requisitos sobre el $p_T$ de los leptones, el aislamiento y la presencia de al menos dos jets, con uno o dos identificados como $b$-jets.
• Reconstrucción:
  • Quark Top: Reconstruido utilizando el $b$-jet principal y el leptón ligero. El neutrino de la desintegración del top se estima basándose en las correlaciones cinemáticas con el leptón cargado.
  • Bosón de Higgs: El sistema $\tau\tau$ se reconstruye utilizando el método del Calculador de Masa de Falta (MMC), el cual utiliza los productos de desintegración visibles de los $\tau$ y el momento transversal faltante atribuido al sistema del Higgs.
• Análisis Multivariante: Para mejorar la relación señal-fondo, se entrenan redes neuronales artificiales (NN) por separado para cada canal. Las NN distinguen entre los eventos de señal $tH$ y los procesos de fondo (dominados por $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+jets y dibosones). Las características de entrada incluyen variables cinemáticas de los objetos del estado final, el jet espectador (característico de $tHq$) y masas reconstruidas.
• Estimación de Fondo: Se emplea un enfoque basado en datos para estimar los fondos provenientes de leptones ligeros mal identificados y $\tau_{\text{had}}$ falsos (jets mal identificados como $\tau$). Los factores de normalización (NF) se derivan en regiones de control (CR) dedicadas, enriquecidas en tipos de fondo específicos (por ejemplo, desintegraciones de sabor pesado, falsos de $\tau$ en diferentes intervalos de $p_T$) y se aplican a las regiones de señal.
• Combinación Estadística: Los resultados de los canales $H \to \tau\tau$ se combinan con las búsquedas previas de ATLAS en los canales $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ y multileptónicos. La combinación tiene en cuenta las incertidumbres sistemáticas correlacionadas (experimentales y teóricas) y utiliza un ajuste de verosimilitud de perfil para extraer la intensidad de la señal ($\mu_{tH}$).

Contribuciones Clave

• Nuevo Canal: Este trabajo presenta la primera búsqueda de ATLAS para la producción de $tH$ en el modo de desintegración $H \to \tau\tau$ con desintegraciones $\tau$ hadrónicas, utilizando el conjunto completo de datos de Run 2.
• Mejora en la Modelización del Fondo: El análisis implementa una estimación detallada basada en datos de los falsos de $\tau_{\text{had}}$ y de leptones ligeros mal identificados, utilizando múltiples regiones de control para restringir los factores de normalización a través de diferentes regímenes cinemáticos.
• Combinación Exhaustiva: El artículo realiza la combinación más exhaustiva de las búsquedas de $tH$ hasta la fecha, integrando los nuevos resultados de $H \to \tau\tau$ con las mediciones previas de ATLAS en los canales $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ y multileptónicos. Esto incluye actualizaciones al análisis de $H \to b\bar{b}$ para corregir las contribuciones de leptones falsos.

Resultos

• Canal Individual ($H \to \tau\tau$): No se observa un exceso significativo sobre el fondo esperado. La intensidad de señal medida es $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. Se establece un límite superior observado (esperado) al 95% de nivel de confianza (CL) para la intensidad de la señal de 8.6 (9.3) veces la predicción del Modelo Estándar.
• Medición Combinada: La combinación de los resultados de los canales $H \to \tau\tau$ con las búsquedas previas de ATLAS arroja una intensidad de señal medida de:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (estat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sist.)}$$
  Esto corresponde a una significancia observada (esperada) de 2.3 (0.8) desviaciones estándar.
• Límites Combinados: El límite combinado observado (esperado) al 95% CL para la intensidad de la señal es de 6.1 (2.7) veces la predicción del SM.
• Consistencia: La intensidad de señal medida es compatible con la predicción del SM al nivel del 12%. Al permitir que la intensidad de señal de $t\bar{t}H$ sea un parámetro libre, los resultados permanecen mayormente sin cambios, confirmando la robustez de la medición de $tH$ frente a las contribuciones de $t\bar{t}H$.

Significancia
El artículo afirma que esta combinación representa la medición más precisa de la producción de $tH$ hasta la fecha. Al integrar el nuevo canal $H \to \tau\tau$ con las búsquedas existentes, el análisis logra una precisión significativamente mejorada en comparación con las combinaciones previas de Run 2 o las mediciones individuales de Run 3. El resultado proporciona las restricciones más fuertes hasta la fecha sobre la sección eficaz de producción de $tH$ y el signo del acoplamiento de Yukawa del quark top dentro del marco de ATLAS, preparando el escenario para futuras mediciones de precisión en Run 3 y más allá.