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

技術要約：トップクォークとヒッグス粒子の間のフレーバー変化中性流電流結合の探索

問題提起
トップクォークとヒッグス粒子（$t \to Hq$, ここで $q=u$ または $c$）が関与するフレーバー変化中性流電流（FCNC）相互作用は、標準模型（SM）におけるツリーレベルでは禁止されており、グシャーホ・イリオプ・マイアミ（GIM）機構によって強く抑制され、予測される分岐比は約$10^{-15}$である。しかし、2ヒッグス二重項モデルなどの様々な標準模型を超える（BSM）理論は、$10^{-3}$に達する大幅に増強された割合を予測している。したがって、これらの稀な相互作用の観測は、新しい物理の直接的な証拠となる。本研究は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のデータを用いた、このような結合の探索に取り組むものである。

手法
本解析では、LHC Run 2（2015–2018）の期間中に重心エネルギー13 TeVでATLAS検出器によって記録された、140 fb$^{-1}$の陽子–陽子衝突データを利用する。探索対象は、以下の2つの特定の生成メカニズムである：

1. 崩壊チャネル（'Dec'）: 一方のトップクォークがFCNC過程 $t \to Hq$ を経て崩壊する、トップ・反トップ（$t\bar{t}$）対生成。
2. 生成チャネル（'Prod'）: トップクォークとヒッグス粒子の随伴生成（$tH$）。これは$qg \to tH$ プロセスが支配的である。

イベント選択と再構成
信号の純度を高めるため、本解析はマルチレプトン最終状態に焦点を当てる：

• 2 同符号レプトン（2$\ell$SS）: 同じ電荷を持つ2つのレプトン（$e, \mu$）を含むイベント。
• 3 レプトン（3$\ell$）: 3つのレプトンを含むイベントであり、正確に2つのレプトンが同じ電荷を持つことを要求する。

選択基準として、少なくとも1つのレプトンの横運動量（$p_T$）が28 GeV超であることを要求し、追加のレプトンの $p_T$ は10 GeV超とする。イベントは少なくとも1つのジェットを含み、少なくとも1つの$b$タグ付きジェットを含む必要がある。

背景事象の推定
背景事象の大部分は、非プロンプト・レプトン（主に $t\bar{t}$ 生成における $B$ ハドロンの崩壊に由来する）から生じる。これらはテンプレート・フィット法を用いて推定される。ここでは、2レプトンおよび3レプトンの最終状態の両方における同時最大尤度フィットを通じて正規化係数が決定される。この手法を検証するために制御領域が定義されている。

• プロンプト・レプトン背景: $t\bar{t}W$ や $t\bar{t}Z$ といったプロセスは、専用の制御領域によって制約された自由な正規化を用いてモデリングされる。
• 電荷誤識別: 2$\ell$SSチャネルにおける、電荷が誤識別されたプロンプト電子からの背景は、$Z$ ボソン質量領域を用いたデータ駆動型アプローチを用いてモデリングされる。
• その他の背景: その他のマイナーな寄与は「Others」カテゴリにまとめられる。

信号識別
信号と背景を分離するために、2つのカスタム再構成アルゴリズム、Recursive Jigsaw Reconstruction および Neutrino Independent Combinatorics Estimator が用いられる。これらのアルゴリズムから導出された変数は、深層ニューラルネットワーク（DNN）を用いて単一の識別子へと結合される。信号の正規化を抽出するためのプロファイル尤度フィットの入力として、DNNの出力分布が使用される。

主要な結果
解析の結果、標準模型の背景事象予測に対して有意な過剰は見られなかった。$tHu$および$tHc$信号の両方における最良適合信号正規化はゼロと互換性があり、いかなる摂動パラメータについても1$\sigma$を超える不一致は見られなかった。

95%信頼水準（CL）における上限排除限界は、$CL_s$ 法を用いて計算された：

• 分岐比:
  • $B(t \to Hu) < 2.8 \times 10^{-4}$ （期待値: $3.0 \times 10^{-4}$）
  • $B(t \to Hc) < 3.3 \times 10^{-4}$ （期待値: $3.8 \times 10^{-4}$）
• ウィルソン係数: 次元-6有効場理論（EFT）演算子の絶対値 $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ に対する限界も設定された：
  • $tHu$:$0.71$（期待値:$0.73$）
  • $tHc$:$0.76$（期待値:$0.82$）

有意性と結合
これらの結果は、マルチレプトンチャネルにおけるトップクォークとヒッグス粒子の間のFCNC結合に対する、現在最も強力な制約を示すものである。論文では、これらの限界は、ヒッグス粒子の $\tau\tau, b\bar{b}, \gamma\gamma$ への崩壊を含む他のATLAS探索と組み合わせた場合にさらに改善されることが記されている。結合解析による結果は以下の通りである：

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

本研究は、FCNC相互作用に関する新たなベンチマークを確立し、現在のATLAS検出器の感度範囲内において、そのような信号が存在しないことを確認した。