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

Resumo Técnico: Busca por Decaimentos do Bóson de Higgs em Partículas Escalares Decaindo em Quatro ou Seis $b$-quarks

Problema e Motivação
Após a descoberta do bóson de Higgs ($H$) com uma massa próxima a 125 GeV, caracterizar suas propriedades permanece um objetivo primário do programa do LHC. Embora o Modelo Padrão (SM) preveja modos de decaimento específicos, a pequena largura total do bóson de Higgs ($\Gamma_H \approx 4$ MeV) o torna altamente sensível a nova física. Mesmo pequenos acoplamentos a partículas Além do Modelo Padrão (BSM) podem resultar em frações de ramificação consideráveis para decaimentos exóticos. Este artigo investiga cenários onde o bóson de Higgs decai em novas partículas escalares ou pseudoescalares leves, referidas como bosões $a$. Esses cenários surgem em vários arcabouços teóricos, incluindo setores de Higgs estendidos, modelos de matéria escura e teorias de naturalidade neutra.

A análise foca em três topologias de decaimento específicas:

1. $H \to 2a \to 4b$: O Higgs decai em dois escalares idênticos, cada um decaindo em um par $b\bar{b}$.
2. $H \to a_1 a_2 \to 4b$: O Higgs decai em dois escalares de massas diferentes ($m_{a_1} < m_{a_2}$), ambos decaindo em $b\bar{b}$.
3. $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: O escalar mais pesado ($a_2$) decai em dois escalares mais leves ($a_1$), resultando em um estado final de seis $b$-quarks.

A busca visa a produção associada do bóson de Higgs com um bóson $Z$ ($ZH$), onde o bóson $Z$ fornece um gatilho (trigger) e suprime os backgrounds de quarks top. A análise cobre a faixa de massa $12 < m_a < 60$ GeV utilizando dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Metodologia
A análise utiliza 140 fb$^{-1}$ de dados coletados pelo detector ATLAS durante o Run 2 (2015–2018). Para lidar com os desafios impostos pelo baixo momento transversal dos $b$-quarks nesses decaimentos e a alta multiplicidade do estado final, a análise emprega várias técnicas de reconstrução inovadoras e categoriza os eventos com base no modo de decaimento do bóson $Z$ ($2\ell$ para léptons carregados, $0\ell$ para neutrinos) e na multiplicidade de $b$-quarks.

• Reconstrução de Objetos e Identificação de Flavor Pesado (Heavy-Flavor Tagging):

  • Regime Mesclado (Merged Regime) ($m_a \lesssim 20$ GeV): Para bosons $a$ de baixa massa, os produtos de decaimento são altamente colimados. Um algoritmo dedicado, DeXTer, é usado para identificar jets de "dobro $b$-quark" ($B$-jets) através da reconstrução de vértices secundários dentro de track-jets de grande raio ($R$) e utilizando redes neurais de conjunto profundo para distinguir a hadronização mesclada de $b\bar{b}$ de jets de $b$ únicos.
  • Regime Resolvido (Resolved Regime) ($m_a \gtrsim 25$ GeV): Algoritmos padrão de $b$-tagging (DL1r) identificam jets $b$ individuais.
  • Vértices Secundários Suaves (Soft Secondary Vertices): Para aumentar a sensibilidade a estados finais de alta multiplicidade, vértices secundários suaves reconstruídos fora de jets (soft-v) são utilizados para capturar decaimentos de $b$-hadrons que não formam jets energéticos.
  • Objetos $b$: Um conceito unificado de "$b$-objetos" é introduzido, abrangendo $B$-jets (gerando dois $b$-objetos), jets $b$ padrão e vértices suaves.

• Seleção de Eventos e Categorização:

  • Canal $2\ell$: Eventos com dois léptons de mesmo sabor e cargas opostas são selecionados. Uma Rede Neural (NN) de seleção de quadruplet é treinada para identificar a combinação ótima de quatro $b$-objetos (de $B$-jets, $b$-jets ou soft-v) consistente com a hipótese do sinal. Esta NN é invariante sob permutações de $b$-objetos e bosons $a$.
  • Canal $0\ell$: Eventos com grande momento transversal ausente ($E_T^{miss}$) são selecionados. Este canal é utilizado exclusivamente para a busca $H \to 2a \to 4b$. Os eventos são categorizados pelo número de $B$-jets e $b$-jets.
  • Busca $6b$: Para a topologia $H \to a_1 a_2 \to 6b$, a reconstrução completa é rara. Em vez disso, os eventos são categorizados com base na multiplicidade de $b$-objetos reconstruídos sem tentar identificar todos os seis.

• Estimativa de Background e Discriminação:

  • Os principais backgrounds incluem a produção de $Z$+jets e $t\bar{t}$. Correções baseadas em dados são aplicadas às simulações de MC para contabilizar a modelagem incorreta das multiplicidades de jets de flavor pesado e propriedades cinemáticas (ex: $H_T$ e $p_T^Z$).
  • Para o canal $0\ell$, o background de QCD multijet é estimado usando um método ABCD baseado na separação azimutal entre o $E_T^{miss}$ e os candidatos a $a$.
  • A discriminação do sinal é realizada usando uma Árvore de Decisão Potencializada (BDT) treinada em variáveis cinemáticas como massas reduzidas ($m_{red}$), separações angulares e o score da NN de seleção de quadruplet.

Principais Contribuições

1. Novas Técnicas de Reconstrução: A aplicação do algoritmo DeXTer para $B$-jets mesclados de baixa massa e a inclusão de vértices secundários suaves aumentam significativamente a sensibilidade no regime de baixa massa ($m_a < 20$ GeV) e para estados finais de alta multiplicidade.
2. Primeira Busca $0\ell$ em Decaimentos Exóticos: Esta é a primeira busca para decaimentos exóticos do Higgs no modo de produção $ZH$ utilizando o canal $0\ell$ (neutrino), fornecendo uma sonda complementar ao canal $2\ell$.
3. Cobertura de Topologia Estendida: Esta análise é a primeira a buscar a topologia $H \to a_1 a_2 \to 6b$ e a topologia $H \to a_1 a_2 \to 4b$ com diferentes massas de escalares sobre toda a faixa de massa $12 < m_a < 60$ GeV.
4. Combinação Abrangente: Os resultados combinam os canais $0\ell$ e $2\ell$, aproveitando regiões de sinal ortogonais e modelos de incerteza sistemática compartilhados para maximizar a sensibilidade.

Resultados
Nenhum excesso significativo de eventos acima da expectativa de background do Modelo Padrão foi observado em nenhum dos canais de busca. Consequentemente, limites superiores de nível de confiança (CL) de 95% foram estabelecidos para a razão entre a seção de choque de produção e a previsão do SM multiplicada pela razão de ramificação ($\sigma(ZH)/\sigma_{SM}(ZH) \times \mathcal{B}$):

• $H \to 2a \to 4b$: Os limites variam entre 4% e 25% para $12 \le m_a \le 60$ GeV. A combinação dos canais $0\ell$ e $2\ell$ melhora o limite em aproximadamente 15% em $m_a = 12$ e 16 GeV comparado ao canal $2\ell$ sozinho.
• $H \to a_1 a_2 \to 4b$: Os limites variam entre 24% e 38% para as hipóteses de massa testadas.
• $H \to a_1 a_2 \to 3a_1 \to 6b$: Os limites variam entre 10% e 20% para as hipóteses de massa testadas.

As maiores desviações locais da hipótese de apenas background foram observadas no canal $2\ell$ para o caso $H \to 2a \to 4b$ em $m_a = 25$ GeV (significância local de 2.83$\sigma$) e para o caso $H \to a_1 a_2 \to 4b$ em $(m_{a_1}, m_{a_2}) = (50, 70)$ GeV (significância local de 3.28$\sigma$). No entanto, as significâncias globais (2.04$\sigma$ e 2.57$\sigma$, respectivamente) permanecem abaixo do limiar para descoberta.

Significância
Este trabalho estende a sensibilidade de buscas anteriores do ATLAS para $H \to 2a \to 4b$ por um fator de 5–15, dependendo da hipótese de massa, ao incorporar um conjunto de dados maior e algoritmos avançados de reconstrução de flavor pesado. Ao explorar o estado final $6b$ e o modo de produção $0\ell$, a análise sonda regiões anteriormente inexploradas do espaço de parâmetros para decaimentos do bóson de Higgs em escalares leves. Os resultados fornecem restrições rigorosas sobre modelos que preveem setores de Higgs estendidos e partículas de setor oculto, contribuindo para o programa mais amplo de caracterização do bóson de Higgs e busca por nova física.