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

Sintesi Tecnica: Ricerca della produzione di $tH$ nel modo di decadimento $H \to \tau\tau$ e combinazione con altre ricerche

Problema e Motivazione
L'accoppiamento di Yukawa del bosone di Higgs con il quark top ($y_t$) è fondamentale per comprendere la stabilità del vuoto elettrodebole e la forma del potenziale di Higgs. Sebbene la produzione di un bosone di Higgs in associazione con una coppia top-antitop ($t\bar{t}H$) sia stata osservata, la produzione di un bosone di Higgs con un singolo quark top ($tH$) rimane elusiva. Il processo $tH$ è unicamente sensibile al segno dell'accoppiamento di Yukawa del quark top a causa dell'interferenza distruttiva tra i diagrammi in cui l'Higgs si accoppia al quark top e quelli in cui si accoppia al bosone $W$. Ciò rende il $tH$ una sonda sensibile per potenziali nuova fisica, come un rimescolamento $CP$-odd nell'accoppiamento. Le precedenti ricerche condotte dalla Collaborazione ATLAS nei canali $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e multileptone hanno prodotto intensità di segnale compatibili con il Modello Standard (SM), ma con una significatività limitata. Questo articolo affronta la necessità di migliorare la sensibilità puntando al modo di decadimento $H \to \tau\tau$, specificamente nei stati finali contenenti leptoni $\tau$ con decadimento adronico ($\tau_{\text{had}}$), e combinando questi risultati con le precedenti misurazioni ATLAS.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore ATLAS a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 13$ TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 140 fb$^{-1}$ (Run 2). La ricerca si concentra sulle modalità di produzione $tHq$e$tWH$, dove il bosone di Higgs decade in una coppia di leptoni $\tau$, con almeno un $\tau$ che decade adronicamente.

• Selezione degli Eventi: Sono definiti due canali distinti basati sulla topologia dello stato finale:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: Eventi con due leptoni leggeri (elettroni o muoni) "tight" e un $\tau_{\text{had}}$ "tight". La regione di segnale (SR) richiede che i due leptoni leggeri abbiano la stessa carica elettrica (SS), il che sopprime significativamente i background riducibili.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: Eventi con un leptone leggero "tight" e due $\tau_{\text{had}}$ "tight" di carica opposta.
  • I criteri di pre-selezione includono requisiti sul $p_T$ dei leptoni, l'isolamento e la presenza di almeno due jet, con uno o due identificati come $b$-jet.
• Ricostruzione:
  • Quark Top: Ricostruito utilizzando il $b$-jet principale e il leptone leggero. Il neutrino derivante dal decadimento del top viene stimato in base alle correlazioni cinematiche con il leptone carico.
  • Bosone di Higgs: Il sistema $\tau\tau$ viene ricostruito utilizzando il metodo del Missing Mass Calculator (MMC), che utilizza i prodotti di decadimento visibili del $\tau$ e l'impulso trasverso mancante attribuito al sistema di Higgs.
• Analisi Multivariata: Per migliorare il rapporto segnale-fondo, vengono addestrate reti neurali artificiali (NN) separatamente per ogni canale. Le NN distinguono tra gli eventi di segnale $tH$ e i processi di fondo (dominati da $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+jets e dibosoni). Le caratteristiche di input includono variabili cinematiche degli oggetti dello stato finale, lo jet spettatore (caratteristico di $tHq$) e le masse ricostruite.
• Stima del Fondo: Viene impiegato un approccio basato sui dati per stimare i background provenienti da leptoni leggeri mal identificati e $\tau_{\text{had}}$ falsi (jet identificati erroneamente come $\tau$). I fattori di normalizzazione (NF) sono derivati in regioni di controllo (CR) dedicate, arricchite di tipi specifici di background (ad esempio, decadimenti di heavy-flavour, $\tau$ fakes in diversi bin di $p_T$) e applicati alle regioni di segnale.
• Combinazione Statistica: I risultati dei canali $H \to \tau\tau$ vengono combinati con le precedenti ricerche ATLAS nei canali $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e multileptone. La combinazione tiene conto delle incertezze sistematiche correlate (sperimentali e teoriche) e utilizza un fit di profilo di verosimiglianza (profile likelihood fit) per estrarre l'intensità del segnale ($\mu_{tH}$).

Contributi Chiave

• Nuovo Canale: Questo lavoro presenta la prima ricerca ATLAS della produzione $tH$ nel modo di decadimento $H \to \tau\tau$ con decadimenti $\tau$ adronici, utilizzando l'intero dataset di Run 2.
• Miglioramento della Modellazione del Fondo: L'analisi implementa una dettagliata stima basata sui dati dei $\tau_{\text{had}}$ fakes e dei leptoni leggeri mal identificati, utilizzando molteplici regioni di controllo per vincolare i fattori di normalizzazione attraverso diversi regimi cinematici.
• Combinazione Esaustiva: L'articolo esegue la combinazione più completa delle ricerche $tH$ ad oggi, integrando i nuovi risultati $H \to \tau\tau$ con le precedenti misurazioni ATLAS nei canali $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e multileptone. Ciò include aggiornamenti all'analisi $H \to b\bar{b}$ per correggere i contributi dei leptoni falsi.

Risultati

• Canale Individuale ($H \to \tau\tau$): Non si osserva alcun eccesso significativo rispetto al fondo atteso. L'intensità del segnale misurata è $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. Un limite superiore osservato (atteso) al livello di confidenza (CL) del 95% sull'intensità del segnale è fissato a 8.6 (9.3) volte la previsione del Modello Standard.
• Misura Combinata: La combinazione dei risultati dei canali $H \to \tau\tau$ con le precedenti ricerche ATLAS produce un'intensità di segnale misurata di:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (stat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sys.)}$$
  Ciò corrisponde a una significatività osservata (attesa) di 2.3 (0.8) deviazioni standard.
• Limiti Combinati: Il limite superiore combinato osservato (atteso) al 95% CL sull'intensità del segnale è di 6.1 (2.7) volte la previsione del Modello Standard.
• Consistenza: L'intensità del segnale misurata è compatibile con la previsione del Modello Standard al livello del 12%. Quando si permette all'intensità del segnale $t\bar{t}H$ di fluttuare, i risultati rimangono ampiamente invariati, confermando la robustezza della misura di $tH$ rispetto ai contributi di $t\bar{t}H$.

Significatività
L'articolo afferma che questa combinazione rappresenta la misura più precisa della produzione di $tH$ ad oggi. Integrando il nuovo canale $H \to \tau\tau$ con le ricerche esistenti, l'analisi raggiunge una precisione significativamente migliorata rispetto alle precedenti combinazioni di Run 2 o alle singole misurazioni di Run 3. Il risultato fornisce i vincoli più forti ad oggi sulla sezione d'urto della produzione di $tH$ e sul segno dell'accoppiamento di Yukawa del quark top all'interno del framework ATLAS, preparando la strada per future misurazioni di precisione in Run 3 e oltre.