⚛️ high-energy experiments

Search for a Higgs boson produced in association with a charm quark and decaying to a W boson pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizzando 138 fb $^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV raccolti dal rivelatore CMS, questo articolo ricerca i bosoni di Higgs prodotti in associazione con un quark charm e che decadono in una coppia di bosoni W, stabilendo un limite superiore osservato al livello di confidenza del 95% di $|\kappa_\mathrm{c}| < 211$ sulla forza del modificatore dell'accoppiamento Yukawa Higgs-charm, che migliora in $|\kappa_\mathrm{c}| < 47$ quando combinato con i precedenti risultati del canale diphoton.

Autori originali: CMS Collaboration

Pubblicato 2026-08-24

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CC BY 4.0

Autori originali: CMS Collaboration

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Per oltre un decennio, la comunità scientifica ha scrutato i costituenti fondamentali dell'universo, guidata da un quadro teorico noto come Modello Standard. Questo modello funge da tavola periodica per il mondo subatomico, catalogando le particelle che compongono la materia e le forze che ne governano le interazioni. Al cuore di questo quadro si trova il bosone di Higgs, una particella scoperta nel 2012 che è responsabile del conferire massa ad altre particelle. Sebbene il bosone di Higgs interagisca fortemente con particelle pesanti come il quark top e il quark bottom, il suo rapporto con le particelle più leggere rimane un mistero. Uno dei legami più elusivi è il legame tra il bosone di Higgs e il quark charm, una particella più leggera che è sorprendentemente difficile da rilevare perché è molto comune in natura. Comprendere questa specifica interazione è cruciale perché qualsiasi deviazione dalle previsioni del Modello Standard potrebbe suggerire una nuova, inosservata fisica che giace oltre la nostra attuale comprensione.

Un ricercatore che lavora con il rivelatore Compact Muon Solenoid, o CMS, presso il Large Hadron Collider in Svizzera, ha compiuto ora un passo significativo verso la risoluzione di questo enigma. Ha condotto una ricerca massiccia per un evento specifico: un bosone di Higgs creato insieme a un quark charm. Nelle collisioni ad alta energia dei protoni all'interno dell'acceleratore, il bosone di Higgs viene solitamente prodotto in associazione con altre particelle pesanti, ma il team si è concentrato sulle rare istanze in cui appare con un quark charm. Per trovare questo segnale, hanno cercato un modello di decadimento molto specifico. Quando il bosone di Higgs viene creato, si frammenta quasi immediatamente in due bosoni W, che sono portatori della forza nucleare debole. Questi bosoni W decadono ulteriormente, con uno che si trasforma in un elettrone e un neutrino, e l'altro in un muone e un neutrino. I ricercatori hanno setacciato i dati corrispondenti a 138 miliardi di miliardi di collisioni, raccolte tra il 2016 e il 2018, cercando questa firma unica di un elettrone, un muone e un getto di quark charm, tutti accompagnati da energia mancante trasportata dai neutrini invisibili.

La sfida in questa ricerca era immensa perché il segnale che stavano cacciando è incredibilmente debole, sepolto sotto una montagna di rumore di fondo proveniente da altre interazioni comuni di particelle. Per separare il raro segnale dal rumore, hanno impiegato sofisticati algoritmi informatici addestrati a riconoscere le sottili differenze tra gli eventi desiderati e l'opprimente rumore di fondo. Hanno categorizzato i dati in base al numero di getti di quark charm rilevati e hanno utilizzato metodi statistici per confrontare ciò che hanno osservato rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. L'analisi ha rivelato che il numero di eventi trovati era coerente con il solo rumore di fondo; non hanno trovato un chiaro eccesso di eventi che indicherebbe la presenza del bosone di Higgs prodotto con un quark charm.

Poiché non è stato trovato un segnale chiaro, il ricercatore ha stabilito limiti superiori rigorosi su quanto spesso questo evento possa verificarsi. Hanno determinato che, se questo processo avviene, accade non più di circa 1.065 volte più frequentemente di quanto previsto dal Modello Standard, con un livello di confidenza del 95 percento. Quando hanno combinato questi risultati con una precedente ricerca dello stesso fenomeno ma in un diverso canale di decadimento coinvolgente due fotoni, i vincoli sono diventati ancora più stretti. L'analisi combinata suggerisce che la forza dell'interazione tra il bosone di Higgs e il quark charm è inferiore a 47 volte la forza prevista dal Modello Standard. Sebbene ciò non provi ancora l'esistenza di una nuova fisica, restringe significativamente la finestra in cui tale nuova fisica potrebbe nascondersi. Lo studio dimostra che, anche con i detector e le tecniche di analisi più avanzati, il quark charm rimane un partner ostinatamente difficile per il bosione di Higgs nel rivelarsi, richiedendo dataset ancora più ampi e metodi più raffinati in futuro per determinare finalmente la natura esatta della loro connessione.

Sintesi Tecnica: Ricerca di un bosone di Higgs prodotto in associazione con un quark charm che decade in una coppia di bosoni W

Problema e Motivazione
Dalla scoperta del bosone di Higgs, misurazioni precise dei suoi accoppiamenti con le particelle del Modello Standard (SM) sono diventate un obiettivo primario. Mentre gli accoppiamenti con i fermioni di terza generazione e i bosoni sono ben stabiliti, i vincoli diretti sull'accoppiamento Yukawa al quark charm ( $\kappa_c$ ) rimangono impegnativi. Le precedenti ricerche dirette per i decadimenti $H \to c\bar{c}$ sono migliorate significativamente grazie a tecniche avanzate di charm tagging, tuttavia l'accoppiamento al quark charm è accessibile anche tramite la produzione associata di un bosone di Higgs con un quark charm ( $cH$ ). Questo canale sonda $\kappa_c$ attraverso la radiazione di un bosone di Higgs da un quark charm nello stato iniziale. Sebbene la sezione d'urto per la produzione $cH$ sia piccola ( $\sim 0,2\%$ della velocità di produzione totale dell'Higgs), essa offre una firma di evento distinta rispetto ai decadimenti $H \to c\bar{c}$ . Questo articolo presenta una ricerca per la produzione $cH$ dove il bosone di Higgs decade in una coppia di bosoni $W$ ( $H \to WW$ ), con un $W$ che decade in una coppia elettrone-neutrino e l'altro in una coppia muone-neutrino ( $e\nu\mu\nu$ ). Questo specifico stato finale è scelto per sopprimere il dominante background $Z$ +jets, che influenza prevalentemente i canali dileptonici a stessa identità di sapore.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante i periodi di acquisizione dati del 2016, 2017 e 2018, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb $^{-1}$ .

Selezione degli Eventi: Gli eventi sono selezionati richiedendo esattamente un elettrone isolato e un muone isolato con cariche opposte. I requisiti cinematici includono $p_T$ del leptone leader $> 25$ GeV, $p_T$ del leptone subleader $> 15$ GeV, momento trasverso mancante ( $p_T^{miss}$ ) $> 20$ GeV, e una massa trasversa del leptone subleader $m_{T}^{\ell_2} > 30$ GeV.
Identificazione dei Jet di Charm: I jet sono ricostruiti utilizzando l'algoritmo anti- $k_T$ . I jet di charm ( $c$ -jet) sono identificati utilizzando l'algoritmo DEEPJET, un tagger basato su una rete neurale profonda. Gli eventi devono contenere almeno un jet soddisfacendo $p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2.4$ e specifiche soglie di discriminante ($CvsL > 0,12 $e$ CvsB > 0,5$) per garantire l'efficienza di charm tagging sopprimendo al contempo i mistag di sapore leggero e di $b$ -jet.
Regioni di Segnale (SR) e Regioni di Controllo (CR): Gli eventi sono categorizzati in due SR basate sul numero di jet di charm identificati ( $N_{c-j} = 1$ e $N_{c-j} > 1$ ) e in due CR (dileptone ad alta massa e arricchita in top) per vincolare le normalizzazioni del background. Il background dominante è la produzione $t\bar{t}$ , che contribuisce per circa il $90\%$ del background totale.
Analisi Multivariata: Vengono impiegati due classificatori Boosted Decision Tree (BDT):
1. $D_{bkg}$ : Distingue il segnale $cH$ dai background non legati all'Higgs (es. $t\bar{t}$ , single top, dibosone, $V$ +jets).
2. $D_{H-bkg}$ : Separa il segnale $cH$ da altri processi di produzione del bosone di Higgs (es. $ggH$, $VBF$ , $VH$ , $t\bar{t}H$ e $bH$ ).
  L'output di questi classificatori viene combinato utilizzando un algoritmo di clustering $k$ -means per creare una distribuzione binata 1D per il fit statistico finale.
Simulazione e Modellazione del Background: I processi di segnale ( $cH$ ) e di background sono simulati utilizzando vari generatori (MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, SHERPA) con PYTHIA 8 per lo showering partonico e l'hadronizzazione. Le incertezze teoriche riguardanti gli schemi di heavy-flavor (4-flavor vs 3-flavor per $cH$ ) e la modellazione del heavy-flavor in $H$ +jets sono trattate come incertezze di forma significative.

Contributi Chiave e Risultati
L'analisi esegue un fit simultaneo di massima verosimiglianza binato su tutte le regioni di segnale e di controllo. Vengono valutati due scenari:

Fit 1POI: La normalizzazione del background $H$ +charm ( $H+c$ -bkg) è fissata alla previsione dello SM.
Fit 2POI: La normalizzazione del $H+c$ -bkg è permessa di fluttuare, testando potenziali correlazioni tra la componente del segnale e quella del background.

Risultati:

Forza del Segnale ( $\mu_{cH}$ ): Nello scenario 1POI, il limite superiore osservato (atteso) sulla forza del segnale rispetto allo SM è 1065 (506). La forza del segnale misurata è $\mu_{cH} = 390^{+380}_{-270}$ , coerente con lo SM entro 1,5 deviazioni standard. La sensibilità è dominata dalla categoria $N_{c-j} = 1$ .
Modificatore di Accoppiamento ( $\kappa_c$ ): Sotto l'assunzione di direzione piatta (dove altri accoppiamenti dell'Higgs si aggiustano per mantenere le altre forze del segnale a unità), il vincolo osservato (atteso) sul modificatore dell'accoppiamento Yukawa del charm è $|\kappa_c| < 211$ (95) al 95% di livello di confidenza (CL).
Analisi Combinata: Quando combinata con la precedente ricerca CMS per la produzione $cH$ nel canale di decadimento fotone, i limiti migliorano. Il limite superiore combinato osservato (atteso) su $\mu_{cH}$ è 257 (281), che si traduce in vincoli sul modificatore di accoppiamento di $|\kappa_c| < 47$ (51) al 95% CL.

Significatività
Questo articolo presenta la prima ricerca per la produzione $cH$ con il bosone di Higgs che decade in $WW$ . Sebbene gli attuali limiti non siano ancora competitivi con le ricerche dirette $H \to c\bar{c}$ o con i vincoli indiretti, questo canale fornisce una sonda alternativa e complementare all'accoppiamento Yukawa Higgs-charm. L'analisi dimostra la capacità di isolare la produzione $cH$ in un complesso stato finale dominato dal background $t\bar{t}$ utilizzando tecniche avanzate di apprendimento automatico e selezioni cinematiche specifiche. L'articolo nota che la sensibilità è attualmente limitata dalle incertezze statistiche nei dati e dalle significative incertezze teoriche relative alla modellazione del heavy-flavor. Si anticipano miglioramenti futuri con dataset più ampi provenienti dall'High-Luminosity LHC e progressi negli algoritmi di identificazione dei jet di heavy-flavor.

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