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

技術要約：$H \to \tau\tau$ 崩壊モードにおける $tH$ 生成の探索および他の探索との結合

問題と動機
ヒッグス粒子のトップクォークに対する湯川結合（$y_t$）は、電弱真空の安定性とヒッグス・ポテンシャルの形状を理解する上で極めて重要である。ヒッグス粒子がトップ反トップ対と伴って生成される $t\bar{t}H$ プロセスは観測されているが、単一のトップクォークと共にヒッグス粒子が生成される $tH$プロセスの観測は依然として達成されていない。$tH$プロセスは、トップクォークに結合するダイアグラムと$W$ボソンに結合するダイアグラムの間の破壊的干渉により、トップクォークの湯川結合の符号に対して特異な感度を持つ。このことは、$tH$が結合における$CP$ 奇の混合といった、潜在的な新物理の鋭敏なプローブとなることを意味している。ATLASコラボレーションによるこれまでの $H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$、およびマルチレプトン最終状態における探索では、標準模型（SM）と互換性のあるシグナル強度が得られているものの、有意性は限定的であった。本論文は、特にハドロン崩壊する $\tau$ レプトン（$\tau_{\text{had}}$）を含む最終状態を対象とすることで、感度を向上させる必要性に取り組むものである。また、これらの結果を以前のATLASによる測定値と結合させる。

手法
本解析では、ATLAS検出器によって収集された、中心質量エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV、積分ルミノシティ 140 fb$^{-1}$（Run 2）に対応する陽子・陽子衝突データを利用する。探索は、$H \to \tau\tau$ 崩壊を伴う $tHq$および$tWH$ 生成モードに焦点を当てている。

• イベント選択: 最終状態のトポロジーに基づき、2つの異なるチャネルを定義する。
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: 2つのタイトな軽レプトン（電子またはミューオン）と1つのタイトな $\tau_{\text{had}}$ を持つイベント。信号領域（SR）では、冗長な背景事象を大幅に抑制するために、2つの軽レプトンが同じ電荷（SS）であることを要求する。
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: 1つのタイトな軽レプトンと、反対電荷を持つ2つのタイトな $\tau_{\text{had}}$ を持つイベント。
  • 前選択基準には、レプトンの $p_T$、アイソレーション、および少なくとも2つのジェット（うち1つまたは2つが $b$-ジェットとして識別される）の存在に関する要求が含まれる。
• 再構成:
  • トップクォーク: リーディング $b$-ジェットと軽レプトンを用いて再構成される。トップ崩壊からのニュートリノは、電荷レプトンとの運動学的相関に基づいて推定される。
  • ヒッグス粒子: $\tau\tau$ 系は、可視の $\tau$ 崩壊生成物と、ヒッグス系に起因する欠損横運動量を利用する Missing Mass Calculator (MMC) 法を用いて再構成される。
• 多変数解析: 信号対背景事象比を高めるため、人工ニューラルネットワーク（NN）を各チャネルに対して個別に学習させる。NNは、$tH$信号イベントと背景プロセス（$t\bar{t}$、$t\bar{t}X$、$W/Z$+jets、およびダイボゾンが支配的）を区別する。入力特徴量には、最終状態のオブジェクトの運動学的変数、スペクテーター・ジェット（$tHq$ の特徴）、および再構成された質量が含まれる。
• 背景事象の推定: 誤識別された軽レプトンやフェイク $\tau_{\text{had}}$（ジェットが $\tau$ と誤識別されたもの）による背景事象を推定するために、データ駆動型のアプローチを採用する。正規化因子（NF）は、特定の背景事象が豊富な専用の制御領域（CR）（例：重いフレーバーの崩壊、異なる $p_T$ ビンにおける $\tau$ フェイク）で導出され、信号領域に適用される。
• 統計的結合: $H \to \tau\tau$ チャネルの結果を、以前のATLASによる $H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$、およびマルチレプトンチャネルの探索結果と結合する。結合にあたっては、相関のある系統誤差（実験および理論）を考慮し、プロファイル尤度フィットを用いてシグナル強度（$\mu_{tH}$）を抽出する。

主な貢献

• 新しいチャネル: 本研究は、Run 2の全データセットを利用した、ハドロン崩壊する $\tau$ を含む $H \to \tau\tau$ 崩壊モードにおける初のATLASによる $tH$ 生成探索を提示する。
• 改善された背景事象モデリング: 背景事象の推定において、異なる運動学的領域にわたって正規化因子を制約するために複数の制御領域を利用した、詳細なデータ駆動型の $\tau_{\text{had}}$ フェイクおよび誤識別された軽レプトンの推定を実装している。
• 包括的な結合: 本論文は、現在までで最も包括的な $tH$探索の結合を行っており、新しい$H \to \tau\tau$ の結果を、以前のATLASによる $H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$、およびマルチレプトン最終状態の測定値と統合している。これには、フェイク・レプトンの寄与を補正するための $H \to b\bar{b}$ 解析の更新も含まれる。

結果

• 個別チャネル ($H \to \tau\tau$): 背景事象に対する有意な過剰は観測されなかった。測定されたシグナル強度は $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$ である。シグナル強度に対する 95% 信頼区間（CL）での観測（期待）上限値は、標準模型の予測の 8.6 (9.3) 倍に設定された。
• 結合測定: $H \to \tau\tau$ チャネルの結果を以前のATLAS探索と結合した結果、以下のシグナル強度が得られた：
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (stat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sys.)}$$
  これは、観測（期待）有意性 2.3 (0.8) 標準偏差に対応する。
• 結合限界: 結合された観測（期待）95% CL 上限値は、標準模型の予測の 6.1 (2.7) 倍である。
• 整合性: 測定されたシグナル強度は、12% のレベルで標準模型の予測と互換性がある。$t\bar{t}H$ のシグナル強度を浮動させた場合でも、結果は概ね変化せず、$t\bar{t}H$ 寄与に対する $tH$ 測定の堅牢性が確認された。

意義
本論文は、この結合が**現在までで最も精密な $tH$生成の測定**であると主張している。新しい$H \to \tau\tau$ チャネルを既存の探索と統合することにより、本解析は、以前の Run 2 結合や個別の Run 3 測定と比較して、大幅に向上した精度を達成している。この結果は、ATLAS の枠組み内において、$tH$ 生成断面積およびトップクォークの湯川結合の符号に対して現在最も強い制約を与えており、Run 3 以降の精密測定への舞台を整えるものである。