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

Résumé technique : Recherche de la production de $tH$ dans le mode de désintégration $H \to \tau\tau$ et combinaison avec d'autres recherches

Problématique et motivation
Le couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top ($y_t$) est crucial pour comprendre la stabilité du vide électrofaible et la forme du potentiel de Higgs. Bien que la production d'un boson de Higgs associé à une paire quark-antiquark top ($t\bar{t}H$) ait été observée, la production d'un boson de Higgs avec un seul quark top ($tH$) demeure insaisissable. Le processus $tH$ est un outil unique pour sonder le signe du couplage de Yukawa du quark top en raison de l'interférence destructrice entre les diagrammes où le Higgs se couple au quark top et ceux où il se couple au boson $W$. Cela fait de $tH$ une sonde sensible pour une potentielle nouvelle physique, telle qu'un mélange $CP$-impair dans le couplage. Les recherches précédentes de la Collaboration ATLAS dans les modes de désintégration $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ et les états finaux multi-leptoniques ont produit des intensités de signal compatibles avec le Modèle Standard (MS), mais avec une signification limitée. Cet article répond à la nécessité d'améliorer la sensibilité en ciblant le mode de désintégration $H \to \tau\tau$, spécifiquement dans les états finaux contenant des taus leptoniques à désintégration hadronique ($\tau_{\text{had}}$), et en combinant ces résultats avec les mesures antérieures d'ATLAS.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$ (Run 2). La recherche se concentre sur les modes de production $tHq$ et $tWH$, où le boson de Higgs se désintègre en une paire de $\tau$-leptons, avec au moins un $\tau$ se désintégrant de manière hadronique.

• Sélection d'événements : Deux canaux distincts sont définis selon la topologie de l'état final :
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$ : Événements avec deux leptons légers serrés (électrons ou muons) et un $\tau_{\text{had}}$ serré. La région de signal (SR) exige que les deux leptons légers aient la même charge électrique (SS), ce qui supprime considérablement les fonds réductibles.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$ : Événements avec un lepton léger serré et deux $\tau_{\text{had}}$ de charges opposées.
  • Les critères de pré-sélection incluent des exigences sur le $p_T$ des leptons, l'isolation, et la présence d'au moins deux jets, dont un ou deux sont identifiés comme des jets $b$.
• Reconstruction :
  • Quark Top : Reconstruit en utilisant le jet $b$ de tête et le lepton léger. Le neutrino issu de la désintégration du top est estimé sur la base des corrélations cinématiques avec le lepton chargé.
  • Boson de Higgs : La masse du système $\tau\tau$ est reconstruite en utilisant la méthode du Missing Mass Calculator (MMC), qui utilise les produits de désintégration visibles du $\tau$ et l'impulsion transverse manquante attribuée au système Higgs.
• Analyse multivariée : Pour améliorer le rapport signal sur fond, des réseaux de neurones artificiels (NN) sont entraînés séparément pour chaque canal. Les NN distinguent les événements de signal $tH$ des processus de fond (dominés par $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+jets et les dibosons). Les caractéristiques d'entrée incluent les variables cinématiques des objets de l'état final, le jet spectateur (caractéristique de $tHq$) et les masses reconstruites.
• Estimation du fond : Une approche basée sur les données est employée pour estimer les fonds provenant de leptons légers mal identifiés et de faux $\tau_{\text{had}}$ (jets identifiés à tort comme des $\tau$). Des facteurs de normalisation (NF) sont dérivés dans des régions de contrôle (CR) enrichies en types de fond spécifiques (ex: désintégrations à saveur lourde, faux $\tau$ dans différents intervalles de $p_T$) et appliqués aux régions de signal.
• Combinaison statistique : Les résultats des canaux $H \to \tau\tau$ sont combinés avec les recherches antérieures d'ATLAS dans les canaux $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ et multi-leptoniques. La combinaison prend en compte les incertitudes systématiques corrélées (expérimentales et théoriques) et utilise un ajustement de vraisemblance profilée pour extraire l'intensité du signal ($\mu_{tH}$).

Contributions clés

• Nouveau canal : Ce travail présente la première recherche ATLAS pour la production de $tH$ dans le mode de désintégration $H \to \tau\tau$ avec des désintégrations de $\tau$ hadroniques, utilisant l'ensemble du jeu de données du Run 2.
• Modélisation améliorée du fond : L'analyse implémente une estimation détaillée des données pour les faux $\tau_{\text{had}}$ et les leptons légers mal identifiés, utilisant de multiples régions de contrôle pour contraindre les facteurs de normalisation à travers différents régimes cinématiques.
• Combinaison complète : Le papier réalise la combinaison la plus complète des recherches $tH$ à ce jour, intégrant les nouveaux résultats $H \to \tau\tau$ avec les mesures antérieures d'ATLAS dans les canaux $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ et multi-leptoniques. Cela inclut des mises à jour de l'analyse $H \to b\bar{b}$ pour corriger les contributions de leptons faux.

Résultats

• Canal individuel ($H \to \tau\tau$) : Aucun excès significatif par rapport au fond attendu n'est observé. L'intensité de signal mesurée est $\mu_{tH} = -0,9^{+4,4}_{-4,2}$. Une limite supérieure observée (attendue) au niveau de confiance (CL) de 95 % sur l'intensité du signal est fixée à 8,6 (9,3) fois la prédiction du MS.
• Mesure combinée : La combinaison des résultats $H \to \tau\tau$ avec les recherches antérieures d'ATLAS donne une intensité de signal de :
  $$\mu_{tH} = 3,3^{+1,7}_{-1,5} = 3,3 \pm 1,2 \text{ (stat.)} ^{+1,1}_{-1,0} \text{ (sys.)}$$
  Ce qui correspond à une signification observée (attendue) de 2,3 (0,8) écarts-types.
• Limites combinées : La limite supérieure combinée observée (attendue) à 95 % CL sur l'intensité du signal est de 6,1 (2,7) fois la prédiction du MS.
• Cohérence : L'intensité du signal mesurée est compatible avec la prédiction du MS à 12 % près. En permettant à l'intensité du signal $t\bar{t}H$ de fluctuer, les résultats restent largement inchangés, confirmant la robustesse de la mesure de $tH$ face aux contributions de $t\bar{t}H$.

Signification
Le papier affirme que cette combinaison représente la mesure la plus précise de la production de $tH$ à ce jour. En intégrant le nouveau canal $H \to \tau\tau$ aux recherches existantes, l'analyse atteint une précision significativement améliorée par rapport aux combinaisons précédentes du Run 2 ou aux mesures individuelles du Run 3. Le résultat fournit les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace de production de $tH$ et le signe du couplage de Yukawa du quark top dans le cadre d'ATLAS, préparant le terrain pour de futures mesures de précision dans le Run 3 et au-delà.