Measurement of the Higgs boson production in association with top quarks in multilepton final states in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

기술 요약: ATLAS 검출기를 이용한 $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ 충돌에서의 다중 경량 최종 상태 내 힉스 보손 생성 측정

문제 및 동기
2012년 힉스 보손 발견 이후, 대형 강입자 충돌기(LHC) 물리 프로그램의 주요 목표는 힉스 보손의 특성을 정밀하게 측정하는 것이었습니다. ��고 보손과 톱 쿼크 사이의 상호작나은 톱 쿼크의 큰 질량($\approx 173$ GeV) 때문에 특히 흥미로운데, 이는 표준 모델(SM)에서 힉스 장에 대한 강한 결합을 의미합니다. 이 결합은 약전자기 대칭성 깨짐을 이해하는 데 매우 중요합니다. $t\bar{t}H$ 생성의 포괄적 단면적(inclusive cross-section)은 루프 유도 과정보다 이론적 가정이 적으면서도 톱 쿼크 유카와 결합(top-quark Yukawa coupling)을 직접적으로 결정할 수 있게 해줍니다. $\sqrt{s}=13$ TeV에서 36 fb$^{-1}$ 및 137 fb$^{-1}$ 데이터셋을 사용한 이전 측정들은 신호 강도가 표준 모델 예측과 부합하면서도 약간 높은 수치를 보였습니다. 또한, 톱-힉스 결합의 $CP$성질은 여전히 미해결 과제로 남아 있습니다. 표준 모델은$CP$-짝(even) 스칼라를 예측하지만, 확장된 힉스 섹터는 $CP$-혼합 상태를 도입하여 중성자 생성(baryogenesis)에 필요한 $CP$-위반의 원천을 제공할 수 있습니다. 본 논문은 포괄적 및 미분적$t\bar{t}H$단면적의 정밀도를 향상시키고, 단일 톱-힉스 생성($tH$)을 탐색하며, 톱-힉스 유카와 결합의$CP$ 구조를 조사하기 위해 전체 Run 2 데이터셋(140 fb$^{-1}$)을 사용한 측정을 제시합니다.

방법론
본 분석은 ATLAS 검출기에 의해 기록된 $\sqrt{s}=13$ TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 140 fb$^{-1}$에 해당)를 활용합니다. 연구는 힉스 보손이 $H \to WW^*$, $H \to \tau^+\tau^-$, 또는 $H \to ZZ^*$를 통해 붕괴하고 톱 쿼크가 경량으로 붕괴하는 다중 경량 최종 상태에 초점을 맞춥니다.

• 사건 선택 및 범주화: 재구성된 충전 경량($\ell = e, \mu$) 및 강입자 붕괴 $\tau$-경량($\tau_{had}$)의 수와 종류에 따라 6개의 뚜렷한 채널이 정의됩니다:

  1. $2\ell SS0\tau_{had}$ (두 개의 동일 부호 경량, $\tau_{had}$ 없음)
  2. $3\ell0\tau_{had}$ (세 개의 경량, $\tau_{had}$ 없음)
  3. $4\ell$ (네 개의 경량)
  4. $2\ell SS1\tau_{had}$ (두 개의 동일 부호 경량, 한 개의 $\tau_{had}$)
  5. $1\ell2\tau_{had}$ (한 개의 경량, 두 개의 $\tau_{had}$)
  6. $2\ell2\tau_{had}$ (두 개의 경량, 두 개의 $\tau_{had}$)
     이 채널들은 통계적으로 독립적입니다. 객체 재구성은 경량 및 $\tau_{had}$에 대한 "Tight" 및 "Medium" 작동 지점(working points)을 포함한 엄격한 식별 기준과 고급 $b$-태깅 알고리즘(DL1r)을 포함합니다.

• 배경사건 추정: 배경사건은 비가역적(irreducible, $t\bar{t}W, t\bar{t}Z$, 다중 보손으로부터의 프롬프트 경량) 또는 가역적(reducible, 비프롬프트 경량, 오식별된 $\tau_{had}$, 전하 오식별)으로 분류됩니다. 비가역적 배경은 전용 제어 영역(CRs)에서의 데이터와의 동시 우도 적합(simultaneous likelihood fit)을 통해 정규화된 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 사용하여 추정됩니다. 가역적 배경, 특히 비프로프트 경량 및 오식별된 $\tau_{had}$는 페이크 팩터 방법(fake-factor method)과 해당 과정을 풍부하게 포함하는 특정 제어 영역을 포함한 데이터 기반 기술을 사용하여 추정됩니다.

• 신호 추출 및 판별: 신호를 배경사건으로부터 분리하기 위해 다변량 분석(MVA) 기술, 특히 부스팅 결정 트리(BDT)와 심층 신경망(DNN)이 사용됩니다.

  • $t\bar{t}H$ 단면적 측정을 위해, 사건들은 이러한 MVA의 출력 점수에 따라 범주화됩니다.
  • 단순 템플릿 단면적(STXS) 프레임워크 내에서 힉스 보손의 횡방향 운동량($p_T^H$) 빈(bin)에 따른 미분 측정의 경우, 전체 사건 정보(경량, 제트, $E_T^{miss}$)를 사용하여 $p_T^H$를 추정하도록 그래프 신경망(GNN)이 훈련됩니다. 이는 전체 재구성이 모호한 채널에서 수행됩니다.
  • $CP$해석을 위해,$CP$-짝(even) 및 $CP$-홀(odd) 가설을 구별하도록 전용 $CP$-민감 BDT가 훈련됩니다.

• 통계적 분석: 모든 신호 및 제어 영역에 대해 결합 프로파일 우도 적합(combined profile-likelihood fit)이 수행됩니다. 이 적합은 신호 강도($\mu$)를 추출하고, 배경 과정을 정규화하며, 계통 오차(nuisance parameters)를 제약합니다. 계통 오차에는 실험적 요인(제트 에너지 척도, 경량 식별, 휘도)과 이론적 모델링(파톤 샤워, PDF, 고차 보정)이 포함됩니다.

주요 기여

1. 데이터셋 규모: 본 분석은 이전의 다중 경량 $t\bar{t}H$ 측정보다 통계적으로 크게 증가한 전체 ATLAS Run 2 데이터셋(140 fb$^{-1}$)을 활용합니다.
2. 개선된 모델링: 본 분석은 개선된 제트 맛 태깅(flavor tagging), 경량 식별, 그리고 전용 측정을 통해 도출된 주요 배경사건($t\bar{t}W, t\bar{t}Z$)에 대한 정교한 이해의 혜택을 받습니다. 또한 주요 배경에 대한 인시튜(in situ) 정규화를 포함한 새로운 시뮬레이션 및 계통 오차 모델을 채택합니다.
3. 고급 재구성: 힉스 보손의 횡방향 운동량($p_T^H$)을 추정하기 위해 그래프 신경망(GNN)을 도입함으로써, 다중 경량 최종 상태에서 발생하는 완전한 힉스 계통 재구성의 어려움을 극복하고 STXS 프레임워크 내에서의 미분 단면적 측정을 가능하게 했습니다.
4. 결합 해석: 본 논문은 동일한 데이터셋과 영역 정의를 사용하여 $t\bar{t}H$ 및 $tH$(특히$tHqb$모드) 신호 강도의 동시 측정과 전용$CP$-위반 탐색을 제시합니다.

결과

• 포괄적 단면적: 측정된 포괄적 $t\bar{t}H$ 단면적은 $\sigma_{t\bar{t}H} = 321^{+102}_{-99}$ fb입니다. 표준 모델 예측($\sigma_{SM} = 507^{+35}_{-50}$ fb)에 대해 정규화된 신호 강도는 $\sigma_{t\bar{t}H}/\sigma_{SM} = 0.63^{+0.20}_{-0.19}$입니다. 이는 관측(기대) 유의도 $3.3\sigma$ ($5.3\sigma$)에 해당합니다. 결과는 표준 모델 가설과 호환되며, 호환 확률은 7.2%입니다.
• 미분 단면적: 단면적은 세 개의 $p_T^H$ 빈(0–120 GeV, 120–200 GeV, >200 GeV)에서 미분적으로 측정되었습니다. 결과는 저 $p_T$ 및 고 $p_T$ 빈에서 표준 모델과 매우 잘 일치하지만, 중간 빈($120 < p_T^H < 200$ GeV)은 특정 범주의 데이터 저편차(underfluctuation)와 빈 사이의 반상관 관계(anti-correlation)로 인해 예측보다 낮은 값을 보였습니다. STXS 적합의 표준 모델과의 호환성은 28%입니다.
• **결합 $t\bar{t}H$ 및 $tH$측정:** 동시 적합을 통해 신호 강도$\mu_{t\bar{t}H} = 0.59^{+0.22}{-0.20}$및$\mu{tHqb} = 7.2^{+4.6}_{-4.0}$를 얻었습니다.$tHqb$결과는 다중 경량 및$H \to b\bar{b}$ 채널을 결합한 이전의 ATLAS 측정치와 일치합니다.
• **$CP$해석:** 본 분석은 톱-힉스 유카와 결합에서의$CP$-혼합각$\alpha$를 조사합니다. 결과는 표준 모델($CP$-짝) 가설과 호환됩니다. 관측(기대)된 순수$CP$-홀 가설의 배제 수준은$1.8\sigma$($3.1\sigma$)입니다. 68$|\alpha| > 62^\circ$인 값들이 배제되었습니다 (기대 배제$|\alpha| > 43^\circ$).

의의
본 논문은 더 작은 데이터셋에 기반한 이전 분석들에 비해 정밀한 톱 쿼크 유카와 결합 및 그 $CP$성질의 결정을 제공함으로써 유의미한 개선을 이루었다고 주장합니다. 6개의 다중 경량 채널을 결합하고 배경 억제 및 운동학적 재구성을 위한 고급 머신 러닝 기술을 활용함으로써, 본 분석은 톱-힉스 섹터에서 표준 모델에 대한 강력한 검증을 제공합니다. 결과는 포괄적 단면적의 중심값이 표준 모델 예측보다 낮게 나타나지만, 통계적으로는 표준 모델과 호환됩니다. 큰$CP$-혼합각의 배제는 확장된 힉스 섹터 모델과 잠재적인 새로운$CP$-위반의 원천에 대한 제약을 강화합니다. 특히 GNN을 이용한 $p_T^H$ 추정과 $t\bar{t}H$ 및 $tH$의 동시 처리는 향후 이 채널에서의 정밀 측정에 대한 벤치마크를 설정합니다.