Search for decays of the Higgs boson into scalar particles decaying into four or six $b$-quarks using $pp$ collisions at $\sqrt{s}= 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

Technische Samenvatting: Zoektocht naar verval van het Higgs-boson in scalaire deeltjes die vervallen in vier of zes $b$-quarks

Probleem en Motivatie
Na de ontdekking van het Higgs-boson ($H$) met een massa nabij 125 GeV, blijft het karakteriseren van de eigenschappen ervan een primair doel van het LHC-programma. Hoewel het Standaardmodel (SM) specifieke vervalmodi voorspelt, maakt de kleine totale breedte van het Higgs-boson ($\Gamma_H \approx 4$ MeV) het zeer gevoelig voor nieuwe fysica. Zelfs kleine koppelingen aan deeltjes buiten het Standaardmodel (BSM) kunnen resulteren in aanzienlijke vertakkingsfracties voor exotische vervallen. Dit artikel onderzoekt scenario's waarin het Higgs-boson vervalt in nieuwe lichte scalaire of pseudoscalaire deeltjes, a-bosonen genoemd. Deze scenario's komen voort uit diverse theoretische kaders, waaronder uitgebreide Higgs-sectoren, donkere materie modellen en theorieën van neutrale natuurlijkheid (neutral naturalness).

De analyse richt zich op drie specifieke vervaltopologieën:

1. $H \to 2a \to 4b$: Het Higgs-boson vervalt in twee identieke scalairen, die elk vervallen in een $b\bar{b}$-paar.
2. $H \to a_1 a_2 \to 4b$: Het Higgs-boson vervalt in twee scalairen met verschillende massa's ($m_{a_1} < m_{a_2}$), die beide vervallen in $b\bar{b}$.
3. $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: De zwaardere scalaire ($a_2$) vervalt in twee lichtere scalairen ($a_1$), wat resulteert in een eindtoestand van zes $b$-quarks.

De zoektocht richt zich op de geassocieerde productie van het Higgs-boson met een $Z$-boson ($ZH$), waarbij het $Z$-boson dient als een trigger-handvat en de achtergrond van top-quarks onderdrukt. De analyse beslaat het massabereik $12 < m_a < 60$ GeV met behulp van proton-proton botsingsgegevens bij $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van 140 fb$^{-1}$ aan gegevens verzameld door de ATLAS-detector tijdens Run 2 (2015–2018). Om de uitdagingen aan te pakken die worden veroorzaakt door de lage transversale impuls van $b$-quarks in deze vervallen en de hoge multipliciteit van de eindtoestand, gebruikt de analyse verschillende innovatieve reconstructietechnieken en categoriseert zij gebeurtenissen op basis van de vervalmodus van het $Z$-boson ($2\ell$ voor geladen leptonen, $0\ell$ voor neutrino's) en de multipliciteit van $b$-quarks.

• Objectreconstructie en Heavy-Flavor Tagging:

  • Merged Regime ($m_a \lesssim 20$ GeV): Voor laag-massieve $a$-bosonen zijn de vervalproducten sterk ge collimeerd. Een toegewezen algoritme, DeXTer, wordt gebruikt om "dubbele $b$-quark" jets ($B$-jets) te identificeren door secundaire vertices binnen grote-$R$ track-jets te reconstrueren en gebruik te maken van deep-set neurale netwerken om onderscheid te maken tussen samengevloeide (merged) $b\bar{b}$ hadronisatie en enkelvoudige $b$-jets.
  • Resolved Regime ($m_a \gtrsim 25$ GeV): Standaard $b$-tagging algoritmen (DL1r) identificeren individuele $b$-jets.
  • Soft Secondary Vertices: Om de gevoeligheid voor eindtoestanden met een hoge multipliciteit te vergroten, worden soft secundaire vertices die buiten de jets gereconstrueerd zijn (soft-v) gebruikt om $b$-hadron vervallen te vangen die geen energetische jets vormen.
  • $b$-objecten: Een verenigd concept van "$b$-objecten" wordt geïntroduceerd, bestaande uit $B$-jets (die twee $b$-objecten opleveren), standaard $b$-jets en soft vertices.

• Gebeurtenisselectie en Categorisering:

  • $2\ell$ Kanaal: Gebeurtenissen met twee leptonen van hetzelfde type en tegengestelde lading worden geselecteerd. Een quadruplet selectie Neuraal Netwerk (NN) wordt getraind om de optimale combinatie van vier $b$-objecten (afkomstig van $B$-jets, $b$-jets of soft-v) te identificeren die consistent is met de signaalhypothese. Dit NN is invariant onder permutaties van $b$-objecten en $a$-bosonen.
  • $0\ell$ Kanaal: Gebeurtenissen met een grote ontbrekende transversale impuls ($E_T^{miss}$) worden geselecteerd. Dit kanaal wordt exclusief gebruikt voor de $H \to 2a \to 4b$ zoektocht. Gebeurtenissen worden gecategoriseerd op basis van het aantal $B$-jets en $b$-jets.
  • $6b$ Zoektocht: Voor de $H \to a_1 a_2 \to 6b$ topologie is volledige reconstructie zeldzaam. In plaats daarvan worden gebeurtenissen gecategoriseerd op basis van de multipliciteit van gereconstrueerde $b$-objecten zonder te proberen alle zes te identificeren.

• Achtergrondschatting en Discriminatie:

  • Belangrijke achtergronden zijn $Z$+jets en $t\bar{t}$ productie. Er worden data-gedreven correcties toegepast op MC-simulaties om rekening te houden met mismodellering van heavy-flavor jet-multipliciteiten en kinematische eigenschappen (bijv. $H_T$ en $p_T^Z$).
  • Voor het $0\ell$ kanaal wordt de QCD-multijet achtergrond geschat met behulp van een ABCD-methode gebaseerd op de azimutale scheiding tussen $E_T^{miss}$ en $a$-kandidaten.
  • Signaaldiscriminatie wordt uitgevoerd met een Boosted Decision Tree (BDT) die getraind is op kinematische variabelen zoals gereduceerde massa's ($m_{red}$), hoekscheidingen en de quadruplet selectie NN-score.

Belangrijkste Bijdragen

1. Nieuwe Reconstructietechnieken: De toepassing van het DeXTer-algoritme voor laag-massieve samengevloeide $B$-jets en de inclusie van soft secundaire vertices verbeteren de gevoeligheid aanzienlijk in het laag-massieve regime ($m_a < 20$ GeV) en voor eindtoestanden met een hoge multipliciteit.
2. Eerste $0\ell$ Zoektocht in Exotische Vallen: Dit is de eerste zoektocht naar exotische Higgs-vervallen in de $ZH$ productiemodus die gebruikmaakt van het $0\ell$ (neutrino) kanaal, wat een complementaire probe biedt aan het $2\ell$ kanaal.
3. Uitgebreide Topologie Dekking: Deze analyse is de eerste die de $H \to a_1 a_2 \to 6b$ topologie en de $H \to a_1 a_2 \to 4b$ topologie met verschillende scalaire massa's onderzoekt over het volledige massabereik $12 < m_a < 60$ GeV.
4. Omvattende Combinatie: De resultaten combineren de $0\ell$ en $2\ell$ kanalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van orthogonale signaalgebieden en gedeelde systematische onzekerheidsmodellen om de gevoeligheid te maximaliseren.

Resultaten
Er is geen significante overmaat aan gebeurtenissen boven de verwachte Standaardmodel achtergrond in geen van de zoekkanalen waargenomen. Bijgevolg zijn er 95% CL bovengrens-limieten vastgesteld op de ratio van de productiedoorsnede tot de SM-voorspelling vermenigvuldigd met de vertakkingsratio ($\sigma(ZH)/\sigma_{SM}(ZH) \times \mathcal{B}$):

• $H \to 2a \to 4b$: Limieten variëren tussen 4% en 25% voor $12 \le m_a \le 60$ GeV. De combinatie van de $0\ell$ en $2\ell$ kanalen verbetert de limiet met ongeveer 15% bij $m_a = 12$ en 16 GeV vergeleken met het $2\ell$ kanaal alleen.
• $H \to a_1 a_2 \to 4b$: Limieten variëren tussen 24% en 38% voor de geteste massahypothesen.
• $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: Limieten variëren tussen 10% en 20% voor de geteste massahypothesen.

De grootste lokale afwijkingen van de achtergrond-alleen hypothese werden waargenomen in het $2\ell$ kanaal voor de $H \to 2a \to 4b$ case bij $m_a = 25$ GeV (lokale significantie 2.83$\sigma$) en voor de $H \to a_1 a_2 \to 4b$ case bij $(m_{a_1}, m_{a_2}) = (50, 70)$ GeV (lokale significantie 3.28$\sigma$). De globale significante (2.04$\sigma$ en 2.57$\sigma$, respectievelijk) blijven echter onder de drempel voor ontdekking.

Significantie
Dit werk breidt de gevoeligheid van eerdere ATLAS-zoektochten naar $H \to 2a \to 4b$ uit met een factor 5–15, afhankelijk van de massahypothese, door de integratie van een grotere dataset en geavanceerde heavy-flavor reconstructie algoritmen. Door de $6b$ eindtoestand en de $0\ell$ productiemodus te verkennen, onderzoekt de analyse voorheen onverkende regio's van de parameterruimte voor Higgs-boson vervallen in lichte scalairen. De resultaten bieden strikte beperkingen op modellen die uitgebreide Higgs-sectoren en verborgen-sector deeltjes voorspellen, en dragen bij aan het bredere programma van het karakteriseren van het Higgs-boson en het zoeken naar nieuwe fysica.