Search for light charged Higgs bosons decaying to charm and strange quarks in $\mathrm{t\bar{t}}$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, cette étude présente la première recherche directe de bosons de Higgs chargés légers se désintégrant en quarks charme et étrange dans les événements de paires de quarks top, établissant les limites les plus contraignantes à ce jour sur la fraction de branchement $\mathcal{B}$(t $\to$ H$^\pm$ b) pour des masses comprises entre 70 et 110 GeV tout en ne trouvant aucune preuve d'un signal au-delà des prédictions du Modèle Standard.

L'essentiel

La Grande Chasse aux Particules : À la Recherche d'un « Fantôme » dans l'Ombre du Quark Top

Imaginez l'univers comme une course automobile géante et ultra-rapide. Dans cette course, les voitures les plus importantes sont appelées des quarks top. Ce sont les particules les plus lourdes et les plus énergétiques que nous connaissons. Habituellement, lorsque ces quarks top entrent en collision et se désintègrent, ils suivent un règlement très strict (le Modèle Standard de la physique). Ils se divisent toujours en un ensemble spécifique de parties : une particule « bottom » et une particule « W ».

Mais que se passerait-il s'il existait un règlement secret ? Et si, parfois, un quark top décidait de prendre un chemin différent et de se diviser en une particule bottom et un « fantôme » mystérieux et invisible appelé un boson de Higgs chargé ($H^\pm$) ?

Ce document est le rapport de la Collaboration CMS (une équipe de milliers de scientifiques au Grand collisionneur de hadrons du CERN) qui est partie à la recherche de ce fantôme.

Le Déroulement : Une Piste de 138 Empreintes

Les scientifiques n'ont pas seulement examiné quelques voitures ; ils ont analysé un énorme tas de données de 2016 à 2018. Imaginez qu'ils avaient un appareil photo capable de prendre 138 billions de clichés (138 fb⁻¹ inversés) de collisions de protons. C'est comme prendre une photo de chaque grain de sable sur une plage, mais pour des particules subatomiques.

Ils recherchaient spécifiquement un scénario où :

1. Deux quarks top sont créés.
2. Un quark top se désintègre normalement (en un bottom et un W).
3. L'autre quark top se désintègre de manière étrange (en un bottom et un Higgs chargé).
4. Ce Higgs mystérieux se dissout ensuite instantanément en deux particules plus légères : un quark charm et un quark strange.

Le Défi : Trouver une Aiguille dans une Botte de Foin

Le problème est que la manière « normale » dont les quarks top se désintègrent se produit tout le temps. C'est comme essayer de trouver un type spécifique et rare de bille rouge dans un tas d'un milliard de billes rouges qui se ressemblent exactement.

Le Higgs « fantôme » laisserait derrière lui deux jets d'énergie (des gerbes de particules) qui ressemblent beaucoup aux jets laissés par la particule W normale. C'est comme essayer de distinguer deux jumeaux identiques à partir d'une photo floue.

Le Travail d'Enquête : Trois Nouvelles Astuces

Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont utilisé trois astuces principales pour affiner leur vision :

1. L'Ajustement Cinématique (Le Résolveur de Puzzle) :
   Imaginez que vous avez une voiture jouet cassée et que vous voulez savoir à quoi elle ressemblait avant de se briser. Vous mesurez les pièces et utilisez les mathématiques pour « reconstruire » la voiture dans votre esprit, en forçant les pièces à s'assembler parfaitement selon les lois de la physique. Les scientifiques ont fait cela pour chaque collision. En forçant mathématiquement les pièces à s'adapter à la forme du « quark top », ils ont pu nettoyer les photos floues et rendre le signal plus clair. Cela a éliminé beaucoup de « bruit » qui cache habituellement le fantôme.

2. Le Détecteur « Charm » (La Vérification d'Identité) :
   Le Higgs fantôme est censé se transformer en un quark charm. Les scientifiques ont utilisé une intelligence artificielle ultra-intelligente (appelée DeepJet) entraînée à reconnaître l'« empreinte digitale » d'un quark charm. C'est comme avoir un videur dans un club capable de faire la différence entre un invité VIP (charm) et un visiteur ordinaire (quarks légers) simplement en regardant leur pièce d'identité. Ils ont catégorisé les événements en fonction du niveau de confiance de l'IA quant à la présence d'un quark charm.

3. Le BDT (Le Filtre Intelligent) :
   Au lieu de simplement établir des règles simples (comme « si la particule a cette masse, conservez-la »), ils ont utilisé un Arbre de Décision Boosté (BDT). Imaginez cela comme un filtre sur-intelligent qui examine 18 indices différents à la fois (vitesse, angle, énergie, etc.) pour décider : « Est-ce un quark top normal, ou est-ce le Higgs fantôme ? » Il apprend à partir de millions de simulations informatiques pour repérer les différences subtiles qu'un œil humain manquerait.

Les Résultats : Le Fantôme Se Cache Toujours

Après avoir fait passer toutes leurs données à travers ces filtres haute technologie, les scientifiques ont examiné les résultats finaux.

• Ont-ils trouvé le fantôme ? Non.
• Qu'ont-ils vu ? Ils ont vu exactement ce qu'ils s'attendaient à voir si le fantôme n'existait pas. Le nombre d'événements « étranges » correspondait parfaitement aux prédictions du Modèle Standard. Les données étaient cohérentes avec les jumeaux « normaux », et non avec le rare fantôme.

La Conclusion : Définir les Limites

Même s'ils n'ont pas trouvé le fantôme, c'est un immense succès. En ne le trouvant pas, ils ont tracé une clôture très serrée autour de l'endroit où le fantôme pourrait se cacher.

• Ils ont prouvé que si ce boson de Higgs chargé existe, il ne peut être responsable de plus de 0,07 % à 1,12 % des désintégrations de quarks top dans la plage de masse qu'ils ont vérifiée (40 à 160 GeV).
• Ils ont établi les limites les plus strictes jamais atteintes pour la plage de masse de 70 à 110 GeV.
• Ils ont été les premiers à le rechercher dans la plage de 40 à 50 GeV et n'ont rien trouvé là non plus.

En termes simples : Les scientifiques ont cherché très activement une nouvelle particule que certaines théories disent devoir exister. Ils ne l'ont pas trouvée. Cela signifie que si cette particule existe, elle est encore plus rare et plus insaisissable que nous ne le pensions. Le règlement du « Modèle Standard » reste intact pour l'instant, et la recherche de nouvelle physique doit se poursuivre dans d'autres directions.

Résumé technique

1. Énoncé du problème et motivation physique

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules prédit un seul doublet de Higgs, résultant en un seul boson de Higgs physique ($H$). Cependant, de nombreuses théories au-delà du Modèle Standard (BSM), en particulier les modèles à deux doublets de Higgs (2HDM), prédisent l'existence de particules scalaires supplémentaires, incluant un boson de Higgs chargé ($H^\pm$).

• Mécanisme de production : Dans de nombreux scénarios 2HDM, le boson de Higgs chargé peut être produit via la désintégration d'un quark top ($t \to H^+ b$). Ceci n'est cinématiquement possible que si $m_{H^\pm} < m_t$.
• Canal de désintégration : Bien que la désintégration $H^\pm \to \tau \nu$ soit souvent dominante, des scénarios 2HDM spécifiques (modèles de type II et de type Y inversé) prédisent une fraction de branchement substantielle pour $H^\pm \to c\bar{s}$ (quarks charme et étrange), en particulier dans les régions de faible et de fort $\tan\beta$.
• Le défi : La recherche de $H^\pm \to c\bar{s}$ dans les événements de paires de quarks top ($t\bar{t}$) est expérimentalement difficile car l'état final (deux jets légers issus de la $H^\pm$, deux jets $b$, un lepton et de l'énergie manquante) est indiscernable du fond dominant du MS où les deux quarks top se désintègrent via $t \to W b$ (avec $W \to q\bar{q}'$). Le signal se manifeste comme une résonance dans le spectre de la masse invariante dijet ($m_{jj}$), mais ceci est obscurci par le pic large du boson $W$ et le fond combinatoire.

2. Méthodologie

Données et simulation :

• Jeu de données : Données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV durant 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$.
• Simulation du signal : Générée avec MADGRAPH5_aMC@NLO à l'ordre suivant le plus élevé (NLO) pour $m_{H^\pm}$ variant de 40 à 160 GeV par pas de 10 GeV. La fraction de branchement est supposée être $B(H^\pm \to cs) = 100\%$.
• Simulation du fond : Les processus du MS $t\bar{t}$ (dominant, ~90%), top unique, $W/Z$+jets et multijets QCD sont générés en utilisant POWHEG et MADGRAPH5_aMC@NLO.

Sélection des événements :

• Topologie : Les événements sont sélectionnés dans le canal lepton+jets, exigeant exactement un électron ou un muon isolé, une impulsion transverse manquante ($p_T^{miss}$), et au moins quatre jets.
• Étiquetage de saveur : Les événements doivent contenir au moins deux jets étiquetés $b$ (en utilisant l'algorithme DEEPJET).
• Ajustement cinématique : Un ajustement cinématique est appliqué pour résoudre les ambiguïtés dans l'assignation des jets. Il minimise une fonction $\chi^2$ en contraignant le système lepton-neutrino à la masse du $W$ et les systèmes $W$-jet à la masse du top. Cela améliore considérablement la résolution de la masse invariante dijet ($m_{jj}$).
• Définition des jets légers : Les jets non identifiés comme des jets $b$ sont appelés « jets légers ». Le signal est reconstruit à partir des deux jets légers assignés au candidat de boson hadronique.

Stratégies de catégorisation des événements :
L'analyse emploie deux approches complémentaires pour maximiser la sensibilité :

1. Méthode basée sur des coupes : Les événements sont catégorisés en fonction des performances de l'étiquetage du charme (c-tagging). En utilisant les discriminateurs CvsL (charme vs léger) et CvsB (charme vs bottom), les événements sont triés dans les catégories « Lâche », « Moyenne » et « Stricte » basées sur le score de c-tag le plus élevé des deux jets légers.
2. Méthode multivariée (BDT) : Un arbre de décision boosté (BDT) est entraîné pour séparer le signal du fond dominant du MS $t\bar{t}$.
   • Entrées : 18 variables incluant les propriétés cinématiques ($p_T$, $\Delta\phi$, $\Delta R$), les corrélations angulaires et les scores de c-tagging (CvsL, CvsB) pour les jets légers et $b$.
   • Entraînement : Des BDT séparés sont entraînés pour les hypothèses de faible masse (40–70 GeV) et de haute masse (80–160 GeV). La sortie du BDT est utilisée pour créer trois catégories exclusives (Lâche, Moyenne, Stricte) afin d'optimiser la séparation signal-fond.

Analyse statistique :

• Un ajustement de vraisemblance maximale binné est effectué sur la distribution $m_{jj}$ dans les régions de signal.
• Le modèle d'ajustement inclut le fond du MS (contraint par les incertitudes systématiques) et l'hypothèse de signal.
• Incertitudes systématiques : Les sources majeures incluent l'échelle et la résolution de l'énergie des jets (JES/JER), les efficacités d'étiquetage $b$ et $c$, la modélisation théorique (variations d'échelle, PDF) et la luminosité. Le fond multijets QCD est estimé en utilisant une méthode basée sur les données « méthode AB » (régions de contrôle avec leptons non isolés).

3. Contributions clés

• Extension de la plage de masse : Cette analyse sonde la plage de masse 40–50 GeV, fournissant les premières limites directes sur les bosons de Higgs chargés produits dans les désintégrations de top dans cette fenêtre de basse masse spécifique. Les recherches précédentes avaient souvent des seuils de masse inférieurs autour de 60–80 GeV en raison de limitations de déclenchement ou de reconstruction.
• Sensibilité améliorée dans 70–110 GeV : Les résultats fournissent les limites les plus strictes à ce jour dans la plage 70–110 GeV, surpassant les résultats précédents d'ATLAS et de CMS.
• Techniques avancées :
  • Mise en œuvre d'un ajustement cinématique complet pour supprimer les queues de haute masse dans le spectre $m_{jj}$ causées par un appariement incorrect des jets.
  • Utilisation de discriminateurs d'étiquetage du charme (CvsL/CvsB) comme levier principal pour distinguer $H^\pm \to cs$ de $W \to q\bar{q}'$ et des fonds de saveur légère.
  • Déploiement d'une stratégie multivariée BDT parallèlement aux méthodes traditionnelles basées sur des coupes pour exploiter les corrélations entre les variables cinématiques et de saveur.
• Utilisation complète du jeu de données : Utilisation de l'ensemble complet du jeu de données Run 2 2016–2018 (138 fb$^{-1}$), augmentant considérablement la puissance statistique par rapport aux analyses précédentes à 13 TeV.

4. Résultats

• Observation : Le rendement observé dans le spectre $m_{jj}$ est cohérent avec les prédictions du Modèle Standard. Aucun excès significatif ni structure résonnante indicative d'un boson de Higgs chargé n'a été trouvé.
• Limites supérieures : Des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % (CL) ont été établies sur la fraction de branchement $B(t \to H^\pm b)$, en supposant $B(H^\pm \to cs) = 100\%$.
  • Les limites observées varient de 0,07 % à 1,12 % sur toute la plage de masse 40–160 GeV.
  • Performance spécifique :
    • Les limites sont jusqu'à 75 % meilleures que les résultats précédents de CMS (basés sur les données 2016).
    • Les limites sont 40–70 % meilleures que les résultats correspondants d'ATLAS dans la plage 70–110 GeV.
• Exclusion : L'analyse exclut des régions spécifiques de l'espace des paramètres 2HDM, en particulier pour les bosons de Higgs chargés de faible masse où les contraintes précédentes étaient faibles ou inexistantes.

5. Signification

Ce papier représente une étape importante dans la recherche de secteurs de Higgs étendus au LHC. En ciblant avec succès le canal de désintégration difficile $H^\pm \to c\bar{s}$ avec une haute précision :

1. Il comble une lacune critique dans la recherche de bosons de Higgs chargés légers en dessous de 50 GeV, une région précédemment difficile d'accès.
2. Il démontre l'efficacité de l'étiquetage du charme et de l'analyse multivariée pour isoler des signaux BSM rares de l'écrasant fond QCD et du MS $t\bar{t}$.
3. Les limites strictes contraignent considérablement l'espace des paramètres des 2HDM de type II et de type Y, en particulier dans les régions de faible et de fort $\tan\beta$, guidant les modèles théoriques futurs et les stratégies expérimentales pour le Run 3 et le LHC à haute luminosité.