Search for flavour-changing neutral current couplings between the top quark and the Higgs boson in multilepton final states with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV provenant du détecteur ATLAS, cette étude recherche les interactions de courants neutres changeant de saveur entre le quark top et le boson de Higgs dans des états finaux multileptons, établissant des limites supérieures observées sur les rapports de branchement de $\mathcal{B}(t\to Hu)$ et $\mathcal{B}(t\to Hc)$ à $2,8 \times 10^{-4}$ et $3,3 \times 10^{-4}$, respectivement.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une immense piste de danse à grande vitesse où les particules sont les danseurs. Dans cette danse, il existe des règles strictes sur qui peut être le partenaire de qui. Le « Modèle Standard » est le livre de règles que les physiciens ont écrit. Selon ce livre de règles, un danseur spécifique appelé le quark top (le danseur le plus lourd et le plus énergique) n'est autorisé à s'associer avec d'autres danseurs que de manières très spécifiques.

L'une des règles les plus strictes est que le quark top ne doit jamais changer de partenaire pour devenir un « boson de Higgs » (la particule qui donne la masse aux autres) et ensuite changer immédiatement pour devenir un quark « charme » ou « haut ». Ce mouvement interdit est appelé un courant neutre changeant de saveur (FCNC). Dans le livre de règles standard, ce mouvement est si rare qu'il est pratiquement impossible — comme s'attendre à ce qu'un danseur se téléporte à travers la pièce au lieu de marcher.

L'enquête : Une recherche à enjeux élevés

Le document que vous avez fourni décrit une enquête massive menée par la collaboration ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Considérez le LHC comme un gigantesque brise-particules qui fait entrer en collision des protons à des vitesses proches de la lumière, créant une explosion chaotique de particules. Le détecteur ATLAS est comme une caméra géante à ultra-haute vitesse essayant de capturer chaque mouvement dans cette explosion.

L'équipe a examiné 140 billions (140 fb⁻¹) de ces collisions de 2015 à 2018. Ils recherchaient spécifiquement deux types de « routines de danse » où le quark top pourrait enfreindre les règles :

1. La routine de « désintégration » : Une paire de quarks top est créée, et l'un d'eux enfreint spontanément les règles pour se transformer en un boson de Higgs et un quark plus léger.
2. La routine de « production » : Un quark top et un boson de Higgs sont créés ensemble, mais ils sont liés par une connexion interdite à un quark haut ou charme.

Les indices : Trouver l'aiguille dans la botte de foin

Le problème est que ces événements de rupture de règles sont incroyablement rares, et la « botte de foin » (les collisions de particules normales) est énorme. Pour trouver l'« aiguille », les scientifiques ont dû chercher des motifs spécifiques, ou des « empreintes digitales », dans les débris.

• La signature : Ils ont recherché des événements dont les débris comprenaient des leptons (particules comme les électrons et les muons) qui avaient la même charge électrique. Dans une danse normale, les charges s'équilibrent généralement. Trouver deux leptons positifs ou deux négatifs ensemble est un indice fort que quelque chose d'inhabituel s'est produit.
• Le filtre : Ils ont utilisé des algorithmes informatiques (comme un videur très intelligent) pour filtrer les millions d'événements banals et normaux. Ils se sont concentrés sur des événements avec des niveaux d'énergie spécifiques et des types de jets (jets de particules) spécifiques pour s'assurer qu'ils regardaient le bon type de piste de danse.
• Les « faux » danseurs : Un défi majeur était de distinguer les vrais briseurs de règles des « imposteurs ». Parfois, des particules normales se désintègrent d'une manière qui ressemble à un briseur de règles, ou une erreur de détecteur fait qu'une particule semble avoir la mauvaise charge. L'équipe a utilisé des méthodes statistiques pour estimer combien de ces événements « faux » se cachaient dans leurs données et les a soustraits.

Le verdict : Aucun briseur de règles trouvé

Après avoir mené leur analyse complexe, qui impliquait l'entraînement d'intelligences artificielles (réseaux de neurones) pour repérer les différences subtiles entre une danse normale et une danse interdite, les résultats étaient clairs :

Ils n'ont trouvé aucune preuve de la danse interdite.

Le nombre d'événements suspects qu'ils ont observés était exactement ce à quoi ils s'attendaient si les règles du Modèle Standard étaient suivies parfaitement. Il n'y avait pas de « briseurs de règles » supplémentaires cachés dans les données.

La conclusion : Resserrer les règles

Parce qu'ils n'ont pas trouvé le mouvement interdit, ils ne se sont pas contentés de dire « nous ne l'avons pas trouvé ». Ils ont calculé exactement à quel point il doit être rare.

• Ils ont établi une nouvelle limite plus stricte : si le quark top enfreint les règles pour devenir un Higgs et un quark haut, cela arrive moins de 2,8 fois sur 10 000.
• S'il devient un Higgs et un quark charme, cela arrive moins de 3,3 fois sur 10 000.

Ces chiffres sont les contraintes les plus strictes (les règles les plus serrées) que nous ayons jamais établies. Bien qu'ils n'aient pas découvert de « Nouvelle Physique » dans cette recherche spécifique, ils ont réussi à fermer la porte à de nombreuses théories qui prédisaient que ce mouvement se produirait plus souvent. C'est comme un détective cherchant un criminel spécifique dans une ville ; même s'ils n'ont pas capturé le criminel, ils ont prouvé que le criminel ne se cache pas dans les endroits où ils ont cherché, forçant le criminel (ou la théorie) à être encore plus insaisissable que ce que l'on pensait auparavant.

En bref : le quark top suit toujours les règles, et l'univers joue toujours selon le livre du Modèle Standard — du moins en ce qui concerne ce mouvement de danse spécifique.

Résumé technique

Résumé Technique : Recherche de couplages de courants neutres à changement de saveur entre le quark top et le boson de Higgs

Énoncé du Problème
Les interactions de courants neutres à changement de saveur (FCNC) impliquant le quark top et le boson de Higgs ($t \to Hq$, où $q=u$ ou $c$) sont interdites au niveau de l'arbre dans le Modèle Standard (SM) et sont fortement supprimées par le mécanisme de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM), avec des rapports de branchement prédits d'environ $10^{-15}$. Cependant, diverses théories au-delà du Modèle Standard (BSM), telles que les modèles à deux doublets de Higgs, prédisent des taux nettement augmentés allant jusqu'à $10^{-3}$. Par conséquent, l'observation de ces interactions rares fournirait une preuve directe d'une nouvelle physique. Ce travail porte sur la recherche de tels couplages en utilisant les données du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC).

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS à une énergie de centre de masse de 13 TeV lors du Run 2 du LHC (2015–2018). La recherche cible deux mécanismes de production spécifiques :

1. Canal de désintégration ('Dec') : Production de paires top-antitop ($t\bar{t}$) où un quark top se désintègre via le processus FCNC $t \to Hq$.
2. Canal de production ('Prod') : Production associée d'un quark top et d'un boson de Higgs ($tH$), dominée par le processus $qg \to tH$.

Sélection et Reconstruction des Événements
L'analyse se concentre sur les états finaux multileptons pour améliorer la pureté du signal :

• 2 leptons de même charge (2$\ell$SS) : Événements avec deux leptons ($e, \mu$) de même charge.
• 3 leptons (3$\ell$) : Événements avec trois leptons, exigeant que exactement deux d'entre eux aient la même charge.
  Les critères de sélection exigent au moins un lepton avec une impulsion transverse ($p_T$) $> 28$ GeV et des leptons additionnels avec $p_T > 10$ GeV. Les événements doivent contenir au moins un jet, avec au moins un jet identifié comme un jet $b$ ($b$-tagged).

Estimation du Bruit de Fond
Une partie significative du bruit de fond provient de leptons non-prompt (originaires principalement des désintégrations de hadrons $B$ dans la production $t\bar{t}$). Ceux-ci sont estimés à l'aide d'une méthode d'ajustement par gabarit (Template Fit Method), où les facteurs de normalisation sont déterminés via des ajustements simultanés de maximum de vraisemblance dans les états à 2 leptons et à 3 leptons. Des régions de contrôle sont définies pour valider cette méthode.

• Bruits de fond de leptons prompt : Les processus tels que $t\bar{t}W$ et $t\bar{t}Z$ sont modélisés avec des normalisations libres contraintes par des régions de contrôle dédiées.
• Erreur de charge (Charge Misidentification) : Dans le canal 2$\ell$SS, les bruits de fond provenant d'électrons prompt avec des charges mal identifiées sont modélisés par une approche basée sur les données impliquant les régions de masse du boson $Z$.
• Autres bruits de fond : Les contributions mineures sont regroupées dans une catégorie « Autres ».

Discrimination du Signal
Pour séparer le signal du bruit de fond, deux algorithmes de reconstruction personnalisés sont employés : la Reconstruction Recursive Jigsaw et l'Estimateur de Combinatoire Indépendant du Neutrino. Les variables dérivées de ces algorithmes sont combinées en un seul discriminant à l'aide de réseaux de neurones profonds (DNN). La distribution de sortie du DNN sert d'entrée pour un ajustement de profil de vraisemblance afin d'extraire la normalisation du signal.

Résultats Clés
L'analyse n'a trouvé aucun excès significatif d'événements par rapport à la prédiction du bruit de fond du Modèle Standard. La meilleure normalisation du signal pour les signaux $tHu$ et $tHc$ était compatible avec zéro, sans écart supérieur à $1\sigma$ pour les paramètres de nuisance.

Des limites d'exclusion supérieures au niveau de confiance (CL) de 95 % ont été calculées en utilisant la méthode $CL_s$ :

• Rapports de branchement :
  • $B(t \to Hu) < 2,8 \times 10^{-4}$ (Attendu : $3,0 \times 10^{-4}$)
  • $B(t \to Hc) < 3,3 \times 10^{-4}$ (Attendu : $3,8 \times 10^{-4}$)
• Coefficients de Wilson : Des limites ont également été fixées sur la valeur absolue du coefficient de Wilson $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ pour les opérateurs de dimension 6 de la théorie effective des champs (EFT) :
  • $tHu$:$0,71$ (Attendu : $0,73$)
  • $tHc$:$0,76$ (Attendu : $0,82$)

Signification et Combinaison
Ces résultats représentent les contraintes les plus fortes à ce jour sur les couplages FCNC entre le quark top et le boson de Higgs dans le canal multilepton. L'article note que ces limites sont améliorées lorsqu'elles sont combinées avec d'autres recherches ATLAS impliquant les désintégrations du Higgs en $\tau\tau$, $b\bar{b}$ et $\gamma\gamma$. L'analyse combinée donne :

• $B(t \to Hu) < 2,6 \times 10^{-4}$
• $B(t \to Hc) < 3,4 \times 10^{-4}$

Ce travail établit de nouveaux points de référence pour les études futures des interactions FCNC, confirmant l'absence de tels signaux dans la sensibilité actuelle du détecteur ATLAS.