Search for the nonresonant production of a pair of additional Higgs bosons in the Type-X two-Higgs-doublet model in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude n'a trouvé aucune preuve de la production non résonnante d'une paire de bosons de Higgs supplémentaires se désintégrant en paires de leptons $\tau$, excluant ainsi le scénario d'alignement du modèle à deux doublets de Higgs de type X comme explication de la tension du moment magnétique anomal du muon.

L'essentiel

La vue d'ensemble : Chasser des particules « fantômes » pour résoudre un mystère

Imaginez le Modèle Standard de la physique comme un manuel d'instructions massif et incroyablement détaillé sur le fonctionnement de l'univers. Pendant des décennies, ce manuel a été parfait. Mais récemment, les scientifiques ont découvert une petite coquille tenace dans la section consacrée aux muons (un type de particule subatomique similaire à l'électron, mais plus lourd).

Lorsqu'ils ont mesuré la façon dont un muon tourne (son « moment magnétique »), le nombre réel ne correspondait pas au nombre prédit par le manuel. L'écart était minime, mais suffisant pour suggérer qu'une page manque au manuel. Quelque chose d'invisible influence le muon, et les physiciens soupçonnent qu'il s'agit d'une nouvelle particule non découverte.

Le suspect : Le modèle à deux doublets de Higgs de « type X »

Pour réparer le manuel, les scientifiques ont proposé une nouvelle théorie appelée le modèle à deux doublets de Higgs de type X (2HDM). Imaginez le boson de Higgs actuel (la célèbre particule découverte en 2012) comme le « joueur vedette » de l'équipe. Cette nouvelle théorie suggère qu'il y a en fait cinq joueurs sur le terrain, et non un seul.

• Le joueur vedette : Celui que nous avons déjà trouvé (le Higgs de 125 GeV).
• Les nouveaux joueurs : Deux particules neutres supplémentaires et deux particules chargées.

La théorie indique que ces nouveaux joueurs interagissent très fortement avec les leptons tau (des cousins lourds des électrons) mais interagissent à peine avec les quarks (la matière dont sont faits les protons et les neutrons). Cette configuration spécifique est appelée « type X » car elle est « spécifique aux leptons ».

La stratégie : La porte dérobée du « Z hors couche »

Habituellement, lorsque les scientifiques cherchent de nouvelles particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ils entrent en collision des protons et cherchent les nouvelles particules qui en émergent directement. Cependant, dans cette théorie spécifique de « type X », si vous essayez de produire une seule de ces nouvelles particules, c'est comme essayer d'entendre un chuchotement dans un ouragan : le signal est trop faible pour être détecté car le taux de production est si bas.

L'équipe du CMS (le groupe qui dirige cette expérience) a donc décidé d'essayer une tactique différente. Au lieu de chercher une seule nouvelle particule, ils ont cherché une paire d'entre elles naissant ensemble à partir d'une particule « fantôme ».

L'analogie :
Imaginez que vous essayez d'attraper deux écureuils insaisissables (les nouveaux bosons de Higgs) qui se cachent dans un parc.

• Ancienne méthode : Vous attendez qu'un écureuil sorte d'un trou. Mais ces écureuils sont timides ; ils sortent rarement seuls.
• Nouvelle méthode : Vous attendez qu'une branche d'arbre spécifique (un boson Z hors couche) casse. Lorsqu'elle casse, elle ne tombe pas simplement ; elle lance deux écureuils en l'air en même temps. Même si la branche elle-même est invisible (elle est « hors couche » ou virtuelle), les deux écureuils qui s'envolent sont un signe clair que cela s'est produit.

L'article se concentre sur cet événement spécifique de « cassure de branche » : $Z^* \to \phi A$.

L'enquête : La scène de crime « quatre taus »

Une fois ces deux nouvelles particules ($\phi$ et $A$) créées, elles ne restent pas en place. Elles se désintègrent immédiatement (se décomposent). Dans le modèle de type X, elles se transforment presque toujours en leptons tau.

Puisque les leptons tau sont instables, ils se désintègrent à leur tour presque instantanément. L'équipe a recherché des événements où quatre leptons tau apparaissaient simultanément dans le détecteur.

Le défi :
Détecter quatre taus, c'est comme essayer de trouver quatre types spécifiques d'aiguilles dans une botte de foin, où les aiguilles changent également de forme et disparaissent.

• Certains taus se transforment en électrons ou en muons (faciles à repérer).
• D'autres se transforment en hadrons (des particules qui ressemblent à des jets de débris, plus difficiles à repérer).
• Le bruit de fond (autres collisions de particules) est massif.

L'équipe a utilisé un algorithme sophistiqué de « flux de particules » (un outil de reconstruction numérique) pour reconstituer les trajectoires de ces quatre particules. Ils ont recherché une signature spécifique : un équilibre d'énergie total correspondant à la « cassure de branche fantôme », plutôt qu'un simple bruit aléatoire.

Les résultats : Le manuel manque toujours d'une page

Après avoir analysé 138 fb⁻¹ (femtobarns inversés) de données (ce qui équivaut à examiner 138 billions de collisions de protons), l'équipe n'a rien trouvé.

• L'observation : Le nombre d'événements « quatre taus » observés correspondait exactement à ce que le Modèle Standard prédisait. Il n'y avait pas d'événements supplémentaires que l'on puisse attribuer aux nouveaux bosons de Higgs.
• L'exclusion : Puisqu'ils n'ont pas vu le signal, ils ont pu tracer une ligne dans le sable. Ils ont déclaré : « Si ces nouvelles particules existent, elles ne peuvent pas avoir cette masse, ou elles ne peuvent pas avoir ces forces d'interaction spécifiques. »

Le verdict :
L'article conclut que cette version spécifique de la théorie de « type X » ne peut pas être l'explication du mystère du muon. La zone « autorisée » où cette théorie aurait pu corriger le moment magnétique du muon a été complètement éliminée par cette recherche.

Résumé en quelques mots

1. Le mystère : Les muons tournent légèrement différemment de ce que notre manuel de physique prédit.
2. La théorie : Peut-être y a-t-il des bosons de Higgs supplémentaires (modèle de type X) qui les aident à tourner.
3. Le plan : Entrent en collision des protons pour voir si nous pouvons créer une paire de ces bosons de Higgs supplémentaires via un boson Z virtuel, qui se désintègre ensuite en quatre particules tau.
4. Le résultat : Nous avons cherché, mais nous ne les avons pas trouvés.
5. La conclusion : Cette théorie spécifique est morte. Elle ne peut pas expliquer pourquoi le muon se comporte mal. La recherche de la véritable cause de l'anomalie du muon doit se poursuivre ailleurs.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de la production non résonnante de bosons de Higgs supplémentaires dans le 2HDM de type X

Problème et motivation
La mesure combinée du moment magnétique du muon ($g-2$) présente actuellement un écart de cinq écarts-types par rapport à la prédiction du Modèle standard (MS) fournie par l'initiative Muon $g-2$ Theory Initiative. Bien que des tensions existent entre différents calculs théoriques, cet écart reste un indicateur potentiel de physique au-delà du Modèle standard (BSM). Le modèle à deux doublets de Higgs de type X (2HDM), également appelé modèle « spécifique aux leptons », offre une explication potentielle en introduisant des bosons de Higgs supplémentaires qui contribuent par des corrections de boucle au moment magnétique du muon.

Cependant, l'espace des paramètres requis pour résoudre l'anomalie du $g-2$ du muon dans le 2HDM de type X nécessite généralement de grandes valeurs de $\tan\beta$ ($\gtrsim 90$ dans le scénario normal et $\gtrsim 120$ dans le scénario inversé). Dans ce régime, les couplages aux quarks sont supprimés, rendant négligeables les modes de production classiques d'un seul boson de Higgs (fusion de gluons et production associée à un $b$). Par conséquent, les recherches actuelles au LHC ciblant des modèles « de type MSSM » ou la production d'un seul boson de Higgs manquent de sensibilité dans cette région spécifique. De plus, les recherches di-Higgs standard reposent souvent sur l'étiquetage d'un boson de Higgs de type MS ($H_{125}$) ou visent des états finals sans leptons $\tau$, ce qui est incompatible avec le 2HDM de type X où les bosons de Higgs supplémentaires se désintègrent majoritairement en paires de leptons $\tau$.

Méthodologie
Cette analyse présente une recherche de la production non résonnante d'une paire de bosons de Higgs supplémentaires ($\phi$ et $A$) provenant d'un boson $Z$ hors couche de masse ($Z^* \to \phi A$), où les deux bosons se désintègrent exclusivement en paires de leptons $\tau$ ($Z^* \to \phi A \to \tau\tau\tau\tau$). Ce mode de production est avantageux car sa section efficace est indépendante de $\tan\beta$, tandis que les fractions de branchement de désintégration vers les leptons $\tau$ sont renforcées à haut $\tan\beta$.

La recherche utilise des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$ de 2016 à 2018. L'analyse reconstruit six états finals principaux $\tau\tau\tau\tau$ ($\tau_h\tau_h\tau_h\tau_h$, $e\tau_h\tau_h\tau_h$, $\mu\tau_h\tau_h\tau_h$, $e\mu\tau_h\tau_h$, $\mu\mu\tau_h\tau_h$ et $ee\tau_h\tau_h$), représentant environ 87 % de la fraction de branchement totale, plus un canal supplémentaire pour les événements où un candidat $\tau_h$ est perdu en raison d'inefficacités de reconstruction.

Les critères de sélection clés incluent :

• Déclenchement : Les événements sont sélectionnés sur la base de déclencheurs à un électron unique, un muon unique ou une paire de $\tau_h$.
• Suppression du bruit de fond : Les événements contenant des jets $b$ sont exclus pour réduire les bruits de fond de paires de quarks top ($t\bar{t}$). Les canaux avec des leptons légers sont catégorisés par charge (même signe vs signes opposés) pour séparer le signal des bruits de fond tels que $Z/\gamma^* \to \ell\ell$ et $t\bar{t}$.
• Variable discriminante : La masse transverse totale ($m_T^{tot}$) est utilisée comme discriminant principal, définie comme la somme quadratique des masses transverses de toutes les paires d'objets de désintégration $\tau$ et de la quantité de mouvement transverse manquante.
• Modélisation du bruit de fond : Le bruit de fond dominant provenant des jets mal identifiés comme des leptons $\tau$ hadroniques ($\text{jet} \to \tau_h$) est estimé à l'aide d'une méthode « Facteur de faux » (FF) améliorée par l'apprentissage automatique, dérivée des données. Les autres bruits de fond (par exemple, $ZZ$, $t\bar{t}$, dibosons) sont modélisés à l'aide de simulations Monte Carlo normalisées aux sections efficaces théoriques avec une précision NLO ou NNLO.
• Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance étendue binnée profilée est réalisé à l'aide de l'outil COMBINE, traitant les incertitudes systématiques comme des paramètres de nuisance.

Contributions clés

• Topologie novatrice : Ce travail comble une lacune critique dans la couverture expérimentale en ciblant la topologie unique non résonnante $Z^* \to \phi A \to 4\tau$, qui n'avait pas été précédemment visée par les analyses multi-$\tau$.
• Indépendance du modèle pour la production : En exploitant un mode de production indépendant de $\tan\beta$, l'analyse sonde le régime à haut $\tan\beta$ où le 2HDM de type X explique l'anomalie du $g-2$ du muon, une région inaccessible aux recherches de Higgs unique.
• Reconstruction complète des canaux : L'analyse combine plusieurs canaux de désintégration et utilise des techniques avancées d'apprentissage automatique pour l'estimation du bruit de fond afin de maximiser la sensibilité sur une large gamme de masses.

Résultats
Aucun écart significatif par rapport à la prédiction du bruit de fond du Modèle standard n'a été observé dans les données. Des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % (CL) ont été fixées sur le produit de la section efficace de production et des fractions de branchement ($\sigma \times \mathcal{B}$).

• Les limites observées varient de $190 \text{ fb}$ (pour $m_A = 40 \text{ GeV}, m_\phi = 60 \text{ GeV}$) à $0.4 \text{ fb}$ (pour $m_A = 600 \text{ GeV}, m_\phi = 800 \text{ GeV}$).
• Des contours d'exclusion ont été dérivés dans le plan $m_A$-$\tan\beta$ pour une valeur fixe de $m_\phi = 200 \text{ GeV}$ et dans le plan $m_A$-$m_\phi$.
• L'analyse exclut une région diagonale dans le plan $m_A$-$m_\phi$ d'une largeur approximative de $100 \text{ GeV}$, s'étendant des masses les plus basses recherchées ($m_A=40 \text{ GeV}, m_\phi=60 \text{ GeV}$) jusqu'à $m_A \approx m_\phi \approx 360 \text{ GeV}$.

Signification et affirmations
L'article affirme que la combinaison de ces nouveaux résultats avec les contraintes issues de recherches précédentes (spécifiquement les recherches de Higgs unique $H/A \to \tau\tau$) exclut une grande partie de l'espace des paramètres du scénario d'alignement du 2HDM de type X. Crucialement, les auteurs déclarent que les régions autorisées pour les scénarios normal et inversé qui accommodent la mesure actuelle du moment magnétique anomal du muon (tel que détaillé dans la référence [9]) sont entièrement contenues dans les contours d'exclusion observés ($\tan\beta > 15$). Par conséquent, cette recherche exclut le scénario d'alignement du 2HDM de type X comme explication du moment magnétique anomal du muon dans les gammes de masses testées. Les résultats démontrent que l'espace des paramètres spécifique requis pour résoudre la tension $g-2$ via ce mécanisme est incompatible avec les données actuelles du LHC.