Search for Higgs boson decays into two neutral scalars with unequal masses in final states with b quarks and tau leptons 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, une recherche de désintégrations du boson de Higgs en deux scalaires neutres de masses inégales dans des états finals contenant des quarks b et des leptons tau n'a révélé aucun excès significatif par rapport au Modèle Standard, conduisant à l'établissement de limites supérieures au niveau de confiance de 95 % sur les sections efficaces de production et les fractions de branchement pertinentes.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une gigantesque piste de course à grande vitesse où de minuscules particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière. Au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, les scientifiques font entrer en collision des protons comme deux voitures percutant l'une l'autre au ralenti, afin de voir quels minuscules débris sont éjectés. Habituellement, ces collisions produisent le célèbre boson de Higgs, une particule découverte en 2012 qui agit comme une « colle » cosmique conférant leur masse aux autres particules.

Ce document traite d'une chasse au trésor spécifique et à haut risque : le boson de Higgs cache-t-il secrètement une famille de cousins plus légers et invisibles ?

La grande idée : la théorie de la « boîte magique »

Selon les règles standard de la physique (le Modèle standard), le boson de Higgs est une particule à usage unique. Elle naît, se désintègre et disparaît. Mais de nombreux scientifiques soupçonnent l'existence de règles « au-delà du Modèle standard ». Ils pensent que le Higgs pourrait être une « boîte magique » qui, au lieu de simplement disparaître, s'ouvre pour révéler deux particules plus légères et invisibles (appelons-les $\phi_1$ et $\phi_2$).

Imaginez le Higgs comme un œuf lourd et doré. Lorsqu'il se fissure, au lieu de simplement se briser en poussière, il pourrait éclore deux œufs plus petits et de couleurs différentes.

• $\phi_2$ est l'œuf le plus lourd des deux nouveaux œufs.
• $\phi_1$ est l'œuf le plus léger.

Parfois, l'œuf plus lourd ($\phi_2$) est instable et se fissure immédiatement à nouveau pour révéler deux autres œufs plus légers ($\phi_1$). C'est ce qu'on appelle une désintégration en cascade (comme une poupée russe qui continue de s'ouvrir). D'autres fois, l'œuf plus lourd reste simplement là et se désintègre directement en matière ordinaire.

Le travail d'enquête : suivre les indices

Le problème, c'est que ces nouveaux « œufs » ($\phi_1$ et $\phi_2$) sont invisibles pour nos détecteurs. Nous ne pouvons pas les voir directement. Cependant, nous savons en quoi ils se transforment finalement. L'article se concentre sur deux « empreintes digitales » spécifiques qu'ils laissent derrière eux :

1. Quarks bottom ($b$) : Des particules lourdes qui se transforment en jets de débris.
2. Leptons tau ($\tau$) : Des cousins lourds de l'électron qui se désintègrent rapidement.

Les scientifiques recherchent une scène de crime très spécifique :

• Scénario A (La cascade) : Le Higgs se divise en $\phi_1$ et $\phi_2$. Le $\phi_2$ se divise à nouveau en deux autres $\phi_1$. Nous nous retrouvons donc avec trois particules légères ($\phi_1$). Deux d'entre elles se transforment en paires de quarks bottom (4 au total), et une se transforme en une paire de leptons tau.
  • Résultat : Un amas désordonné de 4 quarks bottom et 2 leptons tau.
• Scénario B (La division directe) : Le Higgs se divise en $\phi_1$ et $\phi_2$. Le $\phi_1$ se transforme en leptons tau, et le $\phi_2$ en quarks bottom.
  • Résultat : Un amas de 2 quarks bottom et 2 leptons tau.

Le défi : trouver une aiguille dans une botte de foin

Le LHC est un endroit bruyant. Chaque seconde, des milliards de collisions se produisent, mais 99,9 % d'entre elles ne sont que du « bruit de fond » (comme une foule de personnes qui crient dans un stade). Le signal que les scientifiques recherchent est un murmure au milieu de cette foule.

Pour le trouver, l'équipe CMS (le groupe de scientifiques ayant rédigé cet article) a utilisé un ensemble de données massif équivalent à 138 « femtobarns inversés » de données (une unité de volume de collision) collectées entre 2016 et 2018.

Ils ont dû construire un filtre sophistiqué pour séparer le signal du bruit :

1. Le déclencheur : Comme un videur dans une boîte de nuit, le système informatique décide instantanément quelles collisions sont assez intéressantes pour être conservées. Ils ont recherché des événements avec des combinaisons spécifiques d'électrons, de muons et de particules tau.
2. Le filtre « intelligent » (BDT) : Au lieu de simplement définir des règles simples (par exemple, « conserver si l'énergie est élevée »), ils ont utilisé un arbre de décision boosté (BDT). Imaginez cela comme un détective IA ultra-intelligent qui examine des dizaines d'indices à la fois — la répartition des particules, leurs angles, leur énergie manquante — et apprend à repérer les motifs subtils de la désintégration de la « boîte magique » par rapport au bruit de fond.
3. La sauvegarde « basée sur des coupes » : Ils ont également essayé une méthode plus simple (en définissant simplement des règles strictes) pour vérifier leur travail, bien que la méthode par IA ait été bien meilleure pour trouver le signal.

Le verdict : le silence du Higgs

Après avoir analysé les données, les scientifiques ont recherché une « bosse » dans les statistiques — un pic soudain dans le nombre d'événements correspondant à leur motif prédit de « boîte magique ».

Le résultat ? Aucune bosse.

Les données ressemblaient exactement à ce que le Modèle standard prévoyait : simplement du bruit de fond. Il n'y avait aucune preuve que le boson de Higgs se désintègre en ces particules plus légères et de masses inégales.

Que signifie cela ?

Puisqu'ils n'ont pas trouvé la « boîte magique », ils n'ont pas découvert de nouvelle physique. Au lieu de cela, ils ont établi des limites.

Imaginez que vous cherchez un type spécifique d'oiseau rare dans une forêt. Vous ne le trouvez pas. Vous ne pouvez pas dire : « L'oiseau n'existe pas ». Mais vous pouvez dire : « Si l'oiseau existe, il est si rare que je l'aurais vu 95 % du temps s'il était commun ».

L'article établit des limites supérieures strictes sur la fréquence à laquelle cette désintégration exotique pourrait se produire. Ils ont calculé que si cette désintégration « Higgs vers particules légères » se produit, elle doit être inférieure à 0,9 à 36,8 fois par billion de bosons de Higgs produits (selon la masse des particules).

Résumé

• L'objectif : Vérifier si le boson de Higgs se désintègre secrètement en deux particules invisibles plus légères et différentes.
• La méthode : Collisionner des protons, rechercher des débris spécifiques (quarks bottom et leptons tau), et utiliser l'IA pour filtrer le bruit.
• Le résultat : Aucune nouvelle particule n'a été trouvée. Le boson de Higgs se comporte exactement comme le prédit le Modèle standard dans ce scénario spécifique.
• La conclusion : Nous avons éliminé un large éventail de possibilités pour les désintégrations « exotiques » du Higgs. Si ces particules plus légères existent, elles sont encore plus insaisissables que nous ne le pensions, ou elles n'interagissent pas avec le Higgs de la manière prédite par cette théorie.

Il s'agit d'un résultat « négatif », mais en science, savoir ce qui n'est pas là est tout aussi important que de savoir ce qui est là. Cela dit aux théoriciens : « Ne perdez pas votre temps à construire des modèles qui prédisent cette désintégration spécifique ; l'univers dit que cela ne se produit pas. »

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de désintégrations du boson de Higgs en deux scalaires neutres de masses inégales

Problème et motivation
Bien que le Modèle Standard (MS) prédise avec succès l'existence d'un boson de Higgs scalaire ($H$) d'une masse de 125 GeV, de nombreuses théories au-delà du MS (BSM) proposent des secteurs scalaires étendus pour résoudre des questions non élucidées telles que la matière noire et l'asymétrie matière-antimatière. Ces modèles prédisent souvent que le boson de Higgs observé se désintègre en particules scalaires neutres légères supplémentaires. Les recherches précédentes se sont principalement concentrées sur des désintégrations symétriques ($H \to aa$) ou sur des états finaux spécifiques. Cependant, des modèles tels que le modèle à deux singulets réels (TRSM) prédisent des désintégrations asymétriques en deux scalaires neutres de masses non dégénérées ($H \to \phi_1\phi_2$, où $m_{\phi_2} > m_{\phi_1}$). Selon la hiérarchie des masses, $\phi_2$ peut subir une désintégration en cascade en $\phi_1\phi_1$ ou se désintégrer directement en fermions du MS. Cet article présente la première recherche utilisant les données du CMS pour ces désintégrations asymétriques dans des états finaux contenant des quarks $b$ et des leptons $\tau$.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$ (2016–2018). La recherche cible la production du boson de Higgs par fusion de gluons (ggF) et fusion de bosons vecteurs (VBF), suivie de la chaîne de désintégration $H \to \phi_1\phi_2$.

Deux scénarios de désintégration distincts sont étudiés :

1. Scénario en cascade ($m_{\phi_2} \ge 2m_{\phi_1}$) : $\phi_2$ se désintègre en deux scalaires $\phi_1$. La signature de l'état final est $H \to \phi_1\phi_2 \to 3\phi_1 \to 2\tau 4b$.
2. Scénario sans cascade ($m_{\phi_2} < 2m_{\phi_1}$) : $\phi_2$ se désintègre directement en particules du MS. La signature de l'état final est $H \to \phi_1\phi_2 \to 2\tau 2b$.

Dans les deux scénarios, un $\phi_1$ doit se désintégrer en une paire de leptons $\tau$. L'analyse considère trois états finaux basés sur les modes de désintégration du $\tau$ : $\mu\tau_h$, $e\tau_h$ et $e\mu$ (où $\tau_h$ désigne les taus se désintégrant hadroniquement).

Sélection et catégorisation des événements :
Les événements sont sélectionnés à l'aide d'exigences de déclenchement à un lepton unique et croisé. La sélection hors ligne requiert deux candidats lepton (muon/électron) et au moins un candidat $\tau$ hadronique, ainsi qu'au moins un jet étiqueté $b$. Pour améliorer la sensibilité au signal, les événements sont catégorisés en fonction du nombre de jets étiquetés $b$ (1b ou $\ge$2b) et du canal de désintégration spécifique.

Une forêt d'arbres de décision (BDT) est utilisée pour discriminer le signal du bruit de fond. Le BDT est entraîné sur des variables cinématiques incluant :

• La masse invariante visible de la combinaison du jet $b$ leading et du candidat $\tau\tau$ ($m_{\text{vis}}(\tau\tau b_1)$).
• Les variables de masse transverse ($m_T$) impliquant l'impulsion transverse manquante ($p_T^{\text{miss}}$).
• La variable d'alignement $D_\zeta$, qui mesure l'alignement de $p_T^{\text{miss}}$ avec le système $\tau\tau$.
• Les séparations angulaires ($\Delta R$) entre les objets et la variable $\Delta m$ (différence de masse normalisée entre les paires de jets $b$ et le système $\tau\tau$).

Le score BDT est utilisé pour définir des régions de signal (SR) avec des seuils variables pour chaque canal et multiplicité de jets $b$. Une analyse basée sur des coupes est également effectuée à titre de vérification croisée.

Estimation du bruit de fond :
Les principaux bruits de fond incluent Drell–Yan ($Z/\gamma^* \to \tau\tau$), la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$), le top unique et les processus de dibosons.

• Le bruit de fond $Z/\gamma^* \to \tau\tau$ est estimé en utilisant une technique d'incorporation où les muons des données sont remplacés par des désintégrations de tau simulées.
• Les bruits de fond provenant de jets mal identifiés comme $\tau_h$ sont estimés à l'aide de méthodes basées sur les données dans des régions latérales.
• Les bruits de fond multijets QCD dans le canal $e\mu$ sont estimés en utilisant des régions de contrôle de même signe.

Contributions et résultats clés
L'analyse effectue un ajustement de vraisemblance maximale binné sur la distribution de la masse invariante reconstruite $\tau\tau$ ($m_{\tau\tau}$) dans les SR définies. Aucun excès statistiquement significatif par rapport à l'attente du bruit de fond du MS n'est observé.

Des limites supérieures sont fixées au niveau de confiance de 95 % (CL) sur le produit de la section efficace de production du Higgs ($\sigma$) et des fractions de branchement pertinentes :

• Cascade : $\sigma \mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2 \to 3\phi_1 \to 2\tau 4b)$
• Sans cascade : $\sigma \mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2) \mathcal{B}(\phi_1 \to 2\tau) \mathcal{B}(\phi_2 \to 2b)$

Les limites supérieures observées varient entre 0,9 et 36,8 pb, selon l'hypothèse de masse ($m_{\phi_1}, m_{\phi_2}$) et le scénario de désintégration. La sensibilité est dominée par les incertitudes statistiques et les incertitudes de normalisation du bruit de fond $\tau_h$ mal identifié.

Pour l'hypothèse de masse sans cascade la plus sensible ($m_{\phi_1}=30$ GeV, $m_{\phi_2}=40$ GeV), la limite supérieure observée sur le produit des fractions de branchement est d'environ 1,6 % (en supposant des sections efficaces de production du MS). Lorsqu'elle est interprétée dans le scénario de référence BP1 du TRSM, cela exclut des valeurs de $\mathcal{B}(H \to \phi_1\phi_2)$ supérieures à 27,3 % pour ce point de masse spécifique.

Signification
Ce travail représente la première recherche utilisant les données du CMS pour des désintégrations exotiques du boson de Higgs en deux particules scalaires neutres légères de masses inégales dans des états finaux impliquant des quarks $b$ et des leptons $\tau$. L'étude étend les contraintes précédentes sur les désintégrations exotiques du Higgs en sondant la région de masse asymétrique et la topologie de désintégration en cascade. Les résultats fournissent des limites indépendantes du modèle qui peuvent être utilisées pour contraindre divers scénarios BSM, y compris le TRSM, le NMSSM et les modèles avec des particules de type axion. L'approche basée sur le BDT s'avère améliorer la sensibilité de 20 à 30 % par rapport à une méthode traditionnelle basée sur des coupes.