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

Technische Samenvatting: Zoektocht naar $tH$-productie in de $H \to \tau\tau$ vervalmodus en combinatie met andere zoektochten

Probleem en Motivatie
De Yukawa-koppeling van het Higgs-boson aan het topquark ($y_t$) is cruciaal voor het begrijpen van de stabiliteit van het elektrozwakke vacuüm en de vorm van het Higgs-potentiaal. Hoewel de productie van een Higgs-boson in associatie met een top-anti-top paar ($t\bar{t}H$) is waargenomen, blijft de productie van een Higgs-boson met een enkel topquark ($tH$) nog ongevonden. Het $tH$-proces is uniek gevoelig voor het teken van de topquark-Yukawa-koppeling vanwege destructieve interferentie tussen diagrammen waarbij de Higgs koppelt aan het topquark en diagrammen waarbij deze koppelt aan het $W$-boson. Dit maakt $tH$ een gevoelige sonde voor potentiële nieuwe fysica, zoals een $CP$-danende mengeling in de koppeling. Eerdere zoektochten door de ATLAS-collaboratie naar $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ en multi-lepton eindtoestanden hebben signaalsterktes opgeleverd die compatibel zijn met het Standaardmodel (SM), maar met beperkte significantie. Dit artikel adresseert de noodzaak om de gevoeligheid te verbeteren door zich te richten op de $H \to \tau\tau$ vervalmodus, specifiek in eindtoestanden die hadronisch vervallende $\tau$-leptonen ($\tau_{\text{had}}$) bevatten, en deze resultaten te combineren met eerdere ATLAS-metingen.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door de ATLAS-detector bij een middencentrum-energie van $\sqrt{s} = 13$ TeV, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 fb$^{-1}$ (Run 2). De zoektocht richt zich op de $tHq$ en $tWH$ productiemodi, waarbij het Higgs-boson vervalt in een $\tau$-leptonpaar, met ten minste één $\tau$ die hadronisch vervalt.

• Event Selectie: Twee onderscheidende kanalen zijn gedefinieerd op basis van de eindtoestand-topologie:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: Events met twee strikte lichte leptonen (elektronen of muonen) en één strikte $\tau_{\text{had}}$. De signaalregio (SR) vereist dat de twee lichte leptonen dezelfde elektrische lading hebben (SS), wat de reduceerbare achtergrond aanzienlijk onderdrukt.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: Events met één strikt licht lepton en twee strikte $\tau_{\text{had}}$ van tegengestelde lading.
  • Pre-selectie criteria omvatten eisen aan lepton $p_T$, isolatie, en de aanwezigheid van ten minste twee jets, waarvan er één of twee als $b$-jets worden geïdentificeerd.
• Reconstructie:
  • Topquark: Gereconstrueerd met behulp van de leidende $b$-jet en het lichte lepton. Het neutrino uit het top-verval wordt geschat op basis van kinematische correlaties met het geladen lepton.
  • Higgs-boson: Het $\tau\tau$-systeem massa wordt gereconstrueerd met de Missing Mass Calculator (MMC) methode, die gebruikmaakt van de zichtbare $\tau$-vervalproducten en de ontbrekende transversale momentum toegeschreven aan het Higgs-systeem.
• Multivariate Analyse: Om de signaal-achtergrondverhouding te verbeteren, zijn kunstmatige neurale netwerken (NN's) afzonderlijk getraind voor elk kanaal. De NN's onderscheiden tussen $tH$ signaal-events en achtergrondprocessen (gedomineerd door $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+jets, en dibosonen). De input-features omvatten kinematische variabelen van de eindtoestand-objecten, de spectator jet (kenmerkend voor $tHq$), en gereconstrueerde massa's.
• Achtergrond Schatting: Een data-gedreven benadering wordt toegepast om achtergronden van misidentificatie van lichte leptonen en fake $\tau_{\text{had}}$ (jets misidentificatie als $\tau$) te schatten. Normalisatiefactoren (NF's) worden afgeleid in specifieke controlegebieden (CR's) die verrijkt zijn met specifieke achtergrondtypen (bijv. heavy-flavour verval, $\tau$ fakes in verschillende $p_T$ bins) en toegepast op de signaalregio's.
• Statistische Combinatie: De resultaten van de $H \to \tau\tau$ kanalen worden gecombineerd met eerdere ATLAS-zoektochten in de $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$, en multi-lepton kanalen. De combinatie houdt rekening met gecorreleerde systematische onzekerheden (experimenteel en theoretisch) en gebruikt een profile likelihood fit om de signaalsterkte ($\mu_{tH}$) te extraheren.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuw Kanaal: Dit werk presenteert de eerste ATLAS-zoektocht naar $tH$-productie in de $H \to \tau\tau$ vervalmodus met hadronische $\tau$-vervallen, gebruikmakend van de volledige Run 2 dataset.
• Verbeterde Achtergrond Modellering: De analyse implementeert een gedetailleerde data-gedreven schatting van $\tau_{\text{had}}$ fakes en misidentificatie van lichte leptonen, gebruikmakend van meerdere controlegebieden om normalisatiefactoren te beperken over verschillende kinematische regimes.
• Uitgebreide Combinatie: Het artikel voert de meest uitgebreide combinatie van $tH$-zoektochten tot nu toe uit, waarbij de nieuwe $H \to \tau\tau$ resultaten worden geïntegreerd met eerdere ATLAS-metingen in $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$, en multi-lepton eindtoestanden. Dit omvat ook updates aan de $H \to b\bar{b}$ analyse om te corrigeren voor fake-lepton bijdragen.

Resultaten

• Individueel Kanaal ($H \to \tau\tau$): Er wordt geen significante excess boven de verwachte achtergrond waargenomen. De gemeten signaalsterkte is $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. Een waargenomen (verwachte) bovengrens op 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) voor de signaalsterkte wordt vastgesteld op 8.6 (9.3) keer de SM-voorspelling.
• Gecombineerde Meting: De combinatie van de $H \to \tau\tau$ resultaten met eerdere ATLAS-zoektochten levert een gemeten signaalsterkte op van:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (stat.)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sys.)}$$
  Dit komt overeen met een waargenomen (verwachte) significantie van 2.3 (0.8) standaarddeviaties.
• Gecombineerde Limieten: De gecombineerde waargenomen (verwachte) 95% CL bovengrens op de signaalsterkte is 6.1 (2.7) keer de SM-voorspelling.
• Consistentie: De gemeten signaalsterkte is compatibel met de SM-voorspelling op het niveau van 12%. Wanneer de $t\bar{t}H$ signaalsterkte wordt toegestaan te variëren, blijven de resultaten grotendeels ongewijzigd, wat de robuustheid van de $tH$ meting tegen $t\bar{t}H$ bijdragen bevestigt.

Significantie
Het artikel beweert dat deze combinatie de meest precieze meting van $tH$-productie tot nu toe vertegenwoordigt. Door het nieuwe $H \to \tau\tau$ kanaal te integreren met bestaande zoektochten, bereikt de analyse een aanzienlijk verbeterde precisie vergeleken met eerdere Run 2 combinaties of individuele Run 3 metingen. Het resultaat biedt de sterkste beperkingen tot nu toe op de $tH$ productie-doorsnede en de teken van de topquark Yukawa-koppeling binnen het ATLAS-kader, en legt de basis voor toekomstige precisie-metingen in Run 3 en daarna.