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

Met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan 13 TeV proton-proton botsingsdata van de ATLAS-detector, zoekt deze studie naar flavour-changing neutrale stroom interacties tussen het topquark en het Higgs-boson in multilepton eindtoestanden, waarbij geobserveerde bovengrenslimieten worden gesteld op de vertakkingsratio's van $\mathcal{B}(t\to Hu)$ en $\mathcal{B}(t\to Hc)$ op respectievelijk $2,8 \times 10^{-4}$ en $3,3 \times 10^{-4}$.

De kern

Stel je het universum voor als een enorme, razendsnelle dansvloer waar deeltjes de dansers zijn. In deze dans zijn er strikte regels over wie met wie mag dansen. Het "Standaardmodel" is het regelboek dat natuurkundigen hebben geschreven. Volgens dit regelboek is een specifieke danser, de topquark (de zwaarste en meest energieke danser), alleen toegestaan om op zeer specifieke manieren met bepaalde andere dansers te paren.

Een van de strengste regels is dat de topquark nooit van partner mag wisselen met een "Higgsboson" (het deeltje dat anderen massa geeft) om vervolgens direct over te schakelen naar een "charm"- of "up"-quark. Deze verboden beweging wordt een Flavour-Changing Neutral Current (FCNC) genoemd. In het standaardregelboek is deze beweging zo zeldzaam dat het praktisch onmogelijk is—als verwachten dat een danser door de kamer teleporteert in plaats van te lopen.

Het Onderzoek: Een Zoektocht met Hoge Inzet

De paper die je hebt verstrekt, beschrijft een grootschalig onderzoek door de ATLAS-collaboratie bij de Large Hadron Collider (LHC). Denk aan de LHC als een gigantische deeltjes-smasher die protonen tegen elkaar aan laat botsen met bijna de snelheid van het licht, wat een chaotische explosie van deeltjes creëert. De ATLAS-detector is als een gigantische, ultra-hogesnelheidscamera die elke enkele beweging in die explosie probeert vast te leggen.

Het team onderzocht 140 biljoen (140 fb⁻¹) van deze botsingen van 2015 tot 2018. Ze zochten specifief naar twee soorten "dansroutines" waarbij de topquark de regels zou kunnen breken:

1. De "Decay" Routine: Een paar topquarks wordt gecreëerd, en één van hen breekt spontaan de regels door te veranderen in een Higgsboson en een lichtere quark.
2. De "Production" Routine: Een topquark en een Higgsboson worden samen gecreëerd, maar ze zijn verbonden door een verboden connectie met een up- of charmquark.

De Aanwijzingen: De Naald in de Hooiberg Zoeken

Het probleem is dat deze regelbrekende gebeurtenissen ongelooflijk zeldzaam zijn, en de "hooiberg" (normale deeltjesbotsingen) is enorm. Om de "naald" te vinden, moesten wetenschappers zoeken naar specifieke patronen, of "vingerafdrukken", in het puin.

• De Signatuur: Ze zochten naar gebeurtenissen waarbij het puin bestond uit leptonen (deeltjes zoals elektronen en muonen) die dezelfde elektrische lading hadden. In een normale dans zijn ladingen meestal in evenwicht. Het vinden van twee positieve of twee negatieve leptonen bij elkaar is een sterke aanwijzing dat er iets ongewoons is gebeurd.
• Het Filter: Ze gebruikten computeralgoritmen (zoals een zeer intelligente uitsmijter) om miljoenen saaie, normale gebeurtenissen weg te filteren. Ze concentreerden zich op gebeurtenissen met specifieke energieniveaus en specifieke typen jets (bundels deeltjes) om er zeker van te zijn dat ze naar de juiste dansvloer keken.
• De "Nep" Dansers: Een grote uitdaging was het onderscheiden van echte regelbrekers van "impostors". Soms vervallen normale deeltjes op een manier die lijkt op een regelbreker, of maakt een detectorfout een deeltje dat eruitziet alsof het de verkeerde lading heeft. Het team gebruikte statistische methoden om te schatten hoeveel van deze "nep" gebeurtenissen zich in hun data verborgen en trokken deze er vanaf.

Het Verdict: Geen Regelbrekers Gevonden

Na het uitvoeren van hun complexe analyse, die ook het trainen van kunstmatige intelligentie (neurale netwerken) omluid om de subtiele verschillen tussen een normale dans en een verboden een te herkennen, waren de resultaten duidelijk:

Ze vonden nul bewijs van de verboden dans.

Het aantal verdachte gebeurtenissen dat ze zagen, was precies wat ze verwachtten te zien als de regels van het Standaardmodel perfect zouden worden gevolgd. Er waren geen extra "regelbrekers" die zich in de data verborgen.

De Conclusie: De Regels Verscherpen

Omdat ze de verboden beweging niet hebben gevonden, zeiden ze niet alleen "we hebben het niet gevonden." Ze berekenden precies hoe zeldzaam het moet zijn.

• Ze stelden een nieuwe, strengere limiet vast: als de topquark de regels breekt om in een Higgs en een upquark te veranderen, gebeurt dit minder dan 2,8 keer per 10.000.
• Als hij verandert in een Higgs en een charmquark, gebeurt dit minder dan 3,3 keer per 10.000.

Dit zijn de strakste beperkingen (de strengste regels) die we ooit hebben vastgesteld. Hoewel ze geen "Nieuwe Fysica" ontdekten in deze specifieke zoektocht, hebben ze succesvol de deur gesloten voor veel theorieën die voorspelden dat deze beweging vaker zou voorkomen. Het is als een detective die een stad afzoekt naar een specifieke crimineel; ook al hebben ze de crimineel niet gepakt, ze hebben bewezen dat de crimineel niet schuilhoudt in de plekken waar ze hebben gezocht, waardoor de crimineel (of de theorie) nog ongrijpbaarder is dan voorheen gedacht.

Kortom: de topquark volgt nog steeds de regels, en het universum speelt nog steeds volgens het regelboek van het Standaardmodel—tenminste wat betreft deze specifieke dansbeweging.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar Flavour-Changing Neutral Current Koppelingen tussen de Topquark en het Higgsboson

Probleemstelling
Interacties met een flavour-changing neutrale stroom (FCNC) waarbij de topquark en het Higgsboson betrokken zijn ($t \to Hq$, waarbij $q=u$ of $c$) zijn verboden op tree-niveau in het Standaardmodel (SM) en worden sterk onderdrukt door het Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM) mechanisme, met voorspelde vertakkingsratio's van ongeveer $10^{-15}$. Verschillende theorieën voorgens de fysica buiten het Standaardmodel (BSM), zoals modellen met twee Higgs-dubbelten, voorspellen echter aanzienlijk verhoogde snelheden tot $10^{-3}$. Bijgevolg zou de observatie van deze zeldzame interacties direct bewijs leverend zijn voor nieuwe fysica. Dit werk richt zich op de zoektocht naar dergelijke koppelingen met behulp van data van de Large Hadron Collider (LHC).

Methodologie
De analyse maakt gebruik van 140 fb$^{-1}$ aan proton-proton botsingsdata, opgenomen door de ATLAS-detector bij een middencentrum-energie van 13 TeV tijdens LHC Run 2 (2015–2018). De zoektocht richt zich op twee specifieke productiemechanismen:

1. Verval-kanaal ('Dec'): Top-anti-top ($t\bar{t}$) paarproductie waarbij één topquark vervalt via het FCNC-proces $t \to Hq$.
2. Productie-kanaal ('Prod'): Geassocieerde productie van een topquark en een Higgsboson ($tH$), gedomineerd door het $qg \to tH$ proces.

Event Selectie en Reconstructie
De analyse richt zich op multilepton eindtoestanden om de signaalzuiverheid te verhogen:

• 2 Same-Sign Leptons (2$\ell$SS): Events met twee leptonen ($e, \mu$) met dezelfde lading.
• 3 Leptons (3$\ell$): Events met drie leptonen, waarbij er precies twee dezelfde lading moeten hebben.

Selectiecriteria vereisen ten minste één lepton met een transversale impuls ($p_T$) $> 28$ GeV en aanvullende leptonen met $p_T > 10$ GeV. Events moeten ten minste één jet bevatten, met ten minste één $b$-getagde jet.

Achtergrondschatting
Een aanzienlijk deel van de achtergrond komt voort uit niet-prompt leptonen (voornamelijk afkomstig van $B$-hadron verval in $t\bar{t}$ productie). Deze worden geschat met behulp van een Template Fit Methode, waarbij normalisatiefactoren worden bepaald via simultane maximum-likelihood fits in zowel de 2-lepton als de 3-lepton eindtoestanden. Controlegebieden worden gedefinieerd om deze methode te valideren.

• Prompt Lepton Achtergronden: Processen zoals $t\bar{t}W$ en $t\bar{t}Z$ worden gemodelleerd met vrij zwevende normalisaties die worden beperkt door specifieke controlegebieden.
• Lading Misidentificatie: Achtergronden van prompt elektronen met misgeïdentificeerde ladingen in het 2$\ell$SS-kanaal worden gemodelleerd met een datagedreven benadering die gebruikmaakt van $Z$-boson massagebieden.
• Overige Achtergronden: Minder belangrijke bijdragen worden gegroepeerd in een "Others" categorie.

Signaal Discriminatie
Om het signaal van de achtergrond te scheiden, worden twee aangepaste reconstructie-algoritmen ingezet: Recursive Jigsaw Reconstruction en de Neutrino Independent Combinatorics Estimator. Variabelen afgeleid van deze algoritmen worden gecombineerd in één enkele discriminant met behulp van Artificial Neural Networks (DNN). De DNN-outputverdeling dient als input voor een profile-likelihood fit om de signaalnormalisatie te extraheren.

Belangrijkste Resultaten
De analyse vond geen significante overmaat aan events ten opzichte van de SM-achtergrondvoorspelling. De best-fit signaalnormalisatie voor zowel $tHu$- als $tHc$-signalen was compatibel met nul, zonder discrepanties groter dan $1\sigma$ voor enige nuisance parameters.

Bovengrens-uitsluitingslimieten op 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) werden berekend met de $CL_s$-methode:

• Vertakkingsratio's:
  • $B(t \to Hu) < 2.8 \times 10^{-4}$ (Verwacht: $3.0 \times 10^{-4}$)
  • $B(t \to Hc) < 3.3 \times 10^{-4}$ (Verwacht: $3.8 \times 10^{-4}$)
• Wilson Coëfficiënten: Limieten werden ook ingesteld op de absolute waarde van de Wilson-coëfficiënt $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ voor dimensie-6 effectieve veldentheorie (EFT) operatoren:
  • $tHu$:$0.71$ (Verwacht: $0.73$)
  • $tHc$:$0.76$ (Verwacht: $0.82$)

Significantie en Combinatie
Deze resultaten vormen de sterkste beperkingen tot nu toe op FCNC-koppelingen tussen de topquark en het Higgsboson in het multilepton kanaal. Het artikel merkt op dat deze limieten verder worden verbeterd wanneer ze worden gecombineerd met andere ATLAS-zoektochten naar Higgs-verval naar $\tau\tau$, $b\bar{b}$ en $\gamma\gamma$. De gecombineerde analyse levert:

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

Dit werk vestigt nieuwe benchmarks voor toekomstige studies van FCNC-interacties, waarbij wordt bevestigd dat dergelijke signalen afwezig zijn binnen de huidige gevoeligheid van de ATLAS-detector.