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

Utilizzando 140 fb$^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV dal rivelatore ATLAS, questo studio cerca interazioni di corrente neutra con cambio di sapore tra il quark top e il bosone di Higgs in stati finali multileptonici, stabilendo limiti superiori osservati sui rapporti di ramificazione di $\mathcal{B}(t\to Hu)$ e $\mathcal{B}(t\to Hc)$ rispettivamente a $2,8 \times 10^{-4}$ e $3,3 \times 10^{-4}$.

L'essenziale

Immaginate l'universo come una massiccia pista da ballo ad alta velocità dove le particelle sono i ballerini. In questo ballo, esistono regole rigide su chi può fare coppia con chi. Il "Modello Standard" è il libro delle regole che i fisici hanno scritto. Secondo questo libro di regole, un ballerino specifico chiamato quark top (il ballerino più pesante ed energico) può accoppiarsi con altri ballerini solo in modi molto specifici.

Una delle regole più rigide è che il quark top non dovrebbe mai cambiare partner con un "bosone di Higgs" (la particella che conferisce massa agli altri) per poi passare immediatamente a un quark "charm" o "up". Questa mossa proibita è chiamata Corrente Neutra a Cambio di Sapore (FCNC). Nel libro delle regole standard, questa mossa è così rara che è praticamente impossibile — come aspettarsi che un ballerino teletrasporti attraverso la stanza invece di camminare.

L'Indagine: Una Ricerca ad Alta Tensione

Il documento fornito descrive una massiccia investigazione condotta dalla collaborazione ATLAS al Large Hadron Collider (LHC). Pensate all'LHC come a un gigantesco distruttore di particelle che fa scontrare protoni tra loro quasi alla velocità della luce, creando un'esplosione caotica di particelle. Il rivelatore ATLAS è come una gigantesca telecamera ultra-veloce che cerca di catturare ogni singolo movimento in quell'esplosione.

Il team ha esaminato 140 trilioni (140 fb⁻¹) di queste collisioni dal 2015 al 2018. Erano specificamente alla ricerca di due tipi di "routine di ballo" in cui il quark top potrebbe infrangere le regole:

1. La Routine di "Decadimento": Una coppia di quark top viene creata, e uno di essi rompe spontaneamente le regole trasformandosi in un bosone di Higgs e un quark più leggero.
   2.La Routine di "Produzione": Un quark top e un bosone di Higgs vengono creati insieme, ma sono legati da una connessione proibita con un quark up o charm.

Gli Indizi: Trovare l'Ago nel Pagliaio

Il problema è che questi eventi di rottura delle regole sono incredibilmente rari, e il "pagliaio" (le normali collisioni di particelle) è enorme. Per trovare l' "ago", gli scienziati hanno dovuto cercare schemi specifici, o "impronte digitali", nei detriti.

• La Firma: Hanno cercato eventi in cui i detriti includevano leptoni (particelle come elettroni e muoni) che avessero la stessa carica elettrica. In un ballo normale, le cariche di solito si bilanciano. Trovare due leptoni positivi o due negativi insieme è un forte indizio che qualcosa di insolito sia accaduto.
• Il Filtro: Hanno utilizzato algoritmi informatici (come un bouncer molto intelligente) per filtrare i milioni di eventi noiosi e normali. Si sono concentrati su eventi con livelli di energia specifici e tipi specifici di jet (spruzzi di particelle) per assicurarsi di guardare sulla giusta pista da ballo.
• I Ballerini "Falsi": Una sfida importante è stata distinguere i veri trasgressori dagli "impostori". A volte, particelle normali decadono in un modo che sembra quello di un trasgressore delle regole, o un errore del rivelatore fa apparire una particella come se avesse la carica errata. Il team ha utilizzato metodi statistici per stimare quanti di questi eventi "falsi" si nasdevano nei loro dati e li ha sottratti.

Il Verdetto: Nessun Trasgressore Trovato

Dopo aver eseguito la loro complessa analisi, che ha comportato l'addestramento di intelligenze artificiali (reti neurali) per individuare le sottili differenze tra un ballo normale e uno proibito, i risultati sono stati chiari:

Non hanno trovato alcuna prova del ballo proibito.

Il numero di eventi sospetti che hanno visto era esattamente ciò che ci si aspettava se le regole del Modello Standard fossero seguite perfettamente. Non c'erano extra "trasgressori" nascosti nei dati.

La Conclusione: Stringere le Regole

Poiché non hanno trovato la mossa proibita, non si sono limitati a dire "non l'abbiamo trovata". Hanno calcolato esattamente quanto sia rara deve essere.

• Hanno stabilito un nuovo limite più severo: se il quark top de fato rompe le regole per trasformarsi in un Higgs e un quark up, accade meno di 2,8 volte su 10.000.
• Se si trasforma in un Higgs e un quark charm, accade meno di 3,3 volte su 10.000.

Questi numeri sono i vincoli più stretti (le regole più severe) che abbiamo mai stabilito. Sebbene non abbiano scoperto la "Nuova Fisica" in questa specifica ricerca, hanno avuto successo nel chiudere la porta a molte teorie che prevedevano che questa mossa accadesse più spesso. È come un detective che cerca un criminale specifico in una città; anche se non ha catturato il criminale, ha dimostrato che il criminale non si nasconde nei luoghi in cui ha cercato, costringendo il criminale (o la teoria) a essere ancora più elusivo di quanto precedentemente pensato.

In breve: il quark top sta ancora seguendo le regole, e l'universo sta ancora giocando secondo il libro del Modello Standard — almeno per quanto riguarda questa specifica mossa di danza.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Ricerca di accoppiamenti di correnti neutre con variazione di sapore tra il quark top e il bosone di Higgs

Enunciato del problema
Le interazioni di corrente neutra con variazione di sapore (FCNC) che coinvolgono il quark top e il bosone di Higgs ($t \to Hq$, dove $q=u$ o $c$) sono proibite a livello di albero nel Modello Standard (SM) e sono fortemente soppresse dal meccanismo di Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM), con rapporti di ramificazione (branching ratios) previsti di circa $10^{-15}$. Tuttavia, varie teorie oltre il Modello Standard (BSM), come i modelli a due doppietti di Higgs, prevedono tassi significativamente potenziati fino a $10^{-3}$. Di conseguenza, l'osservazione di queste rare interazioni fornirebbe una prova diretta di nuova fisica. Questo lavoro affronta la ricerca di tali accoppiamenti utilizzando i dati del Large Hadron Collider (LHC).

Metodologia
L'analisi utilizza 140 fb$^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone registrati dal rivelatore ATLAS a un'energia di centro di massa di 13 TeV durante la Run 2 dell'LHC (2015–2018). La ricerca mira a due specifici meccanismi di produzione:

1. Canale di decadimento ('Dec'): Produzione di coppie top-antitop ($t\bar{t}$) in cui un quark top decade tramite il processo FCNC $t \to Hq$.
2. Canale di produzione ('Prod'): Produzione associata di un quark top e un bosone di Higgs ($tH$), dominata dal processo $qg \to tH$.

Selezione ed ricostruzione degli eventi
L'analisi si concentra su stati finali multileptonici per aumentare la purezza del segnale:

• 2 leptoni con stessa carica (2$\ell$SS): Eventi con due leptoni ($e, \mu$) della stessa carica.
• 3 leptoni (3$\ell$): Eventi con tre leptoni, richiedendo che esattamente due abbiano la stessa carica.

I criteri di selezione richiedono almeno un leptone con impulso trasverso ($p_T$) $> 28$ GeV e leptoni aggiuntivi con $p_T > 10$ GeV. Gli eventi devono contenere almeno un jet, con almeno un jet con tag $b$ ($b$-tagged).

Stima del background
Una parte significativa del background deriva da leptoni non prompt (originanti principalmente dai decadimenti di adroni $B$ nella produzione $t\bar{t}$). Questi sono stimati utilizzando un Metodo di Fit dei Template, in cui i fattori di normalizzazione sono determinati tramite fit simultanei di massima verosimiglianza sia negli stati finali a 2 leptoni che in quelli a 3 leptoni. Le regioni di controllo sono definite per validare questo metodo.

• Background di leptoni prompt: Processi come $t\bar{t}W$ e $t\bar{t}Z$ sono modellati con normalizzazioni a fluttuazione libera vincolate da dedicate regioni di controllo.
• Misidentificazione della carica: Nel canale 2$\ell$SS, i background da elettroni prompt con carica misidentificata sono modellati utilizzando un approccio basato sui dati che coinvolge le regioni della massa del bosone $Z$.
• Altri background: I contributi minori sono raggruppati in una categoria "Others".

Discriminazione del segnale
Per separare il segnale dal background, vengono impiegati due algoritmi di ricostruzione personalizzati: Recursive Jigsaw Reconstruction e il Neutrino Independent Combinatorics Estimator. Le variabili derivate da questi algoritmi sono combinate in un singolo discriminante utilizzando Reti Neurali Profonde (DNN). La distribuzione dell'output della DNN serve come input per un fit di profilo di verosimiglianza per estrarre la normalizzazione del segnale.

Risultati chiave
L'analisi non ha trovato alcun eccesso significativo di eventi rispetto alla previsione del background del Modello Standard. La migliore normalizzazione del segnale per entrambi i segnali $tHu$e$tHc$ è compatibile con lo zero, senza discrepanze oltre $1\sigma$ per qualsiasi parametro di disturbo (nuisance parameter).

I limiti di esclusione superiori al 95% di livello di confidenza (CL) sono stati calcolati utilizzando il metodo $CL_s$:

• Rapporti di ramificazione (Branching Ratios):
  • $B(t \to Hu) < 2.8 \times 10^{-4}$ (Atteso: $3.0 \times 10^{-4}$)
  • $B(t \to Hc) < 3.3 \times 10^{-4}$ (Atteso: $3.8 \times 10^{-4}$)
• Coefficienti di Wilson: Sono stati stabiliti limiti anche sul valore assoluto del coefficiente di Wilson $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ per gli operatori di teoria dei campi effettivi (EFT) di dimensione-6:
  • $tHu$:$0.71$ (Atteso: $0.73$)
  • $tHc$:$0.76$ (Atteso: $0.82$)

Significatività e combinazione
Questi risultati rappresentano i vincoli più forti ad oggi sugli accoppiamenti FCNC tra il quark top e il bosone di Higgs nel canale multileptonico. Il documento nota che questi limiti sono ulteriormente migliorati quando combinati con altre ricerche ATLAS che coinvolgono i decadimenti dell'Higgs in $\tau\tau$, $b\bar{b}$ e $\gamma\gamma$. L'analisi combinata fornisce:

• $B(t \to Hu) < 2.6 \times 10^{-4}$
• $B(t \to Hc) < 3.4 \times 10^{-4}$

Il lavoro stabilisce nuovi parametri di riferimento per studi futuri sulle interazioni FCNC, confermando l'assenza di tali segnali entro la sensibilità attuale del rivelatore ATLAS.