Search for light charged Higgs bosons decaying to charm and strange quarks in $\mathrm{t\bar{t}}$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a 13 TeV, este estudo apresenta a primeira busca direta por bósons de Higgs carregados leves que decaem em quarks charm e strange em eventos de pares de quarks top, estabelecendo os limites mais rigorosos até a data para a fração de ramificação $\mathcal{B}$(t $\to$ H$^\pm$ b) para massas entre 70 e 110 GeV, ao mesmo tempo em que não encontra evidências de um sinal além das previsões do Modelo Padrão.

O essencial

A Grande Caçada às Partículas: Buscando um "Fantasma" na Sombra do Quark Top

Imagine o universo como uma corrida de carros gigante e de alta velocidade. Nesta corrida, os carros mais importantes são chamados de quarks top. Eles são as partículas mais pesadas e energéticas que conhecemos. Geralmente, quando esses quarks top colidem e se desintegram, seguem um livro de regras muito estrito (o Modelo Padrão da física). Eles sempre se dividem em um conjunto específico de partes: uma partícula "bottom" e uma partícula "W".

Mas e se houver um livro de regras secreto? E se, às vezes, um quark top decidir tomar um caminho diferente e se dividir em uma partícula bottom e um "fantasma" misterioso e invisível chamado bóson de Higgs carregado ($H^\pm$)?

Este artigo é o relatório da Colaboração CMS (uma equipe de milhares de cientistas no Grande Colisor de Hádrons do CERN) que saiu à procura desse fantasma.

O Cenário: Um Rastro de 138 Pegadas

Os cientistas não olharam apenas para alguns carros; eles analisaram uma pilha massiva de dados de 2016 a 2018. Imagine que eles tinham uma câmera que tirou 138 trilhões de fotos (138 femtobarns inversos) de colisões de prótons. É como tirar uma foto de cada grão de areia em uma praia, mas para partículas subatômicas.

Eles estavam procurando especificamente por um cenário onde:

1. Dois quarks top são criados.
2. Um quark top se desintegra normalmente (em um bottom e um W).
3. O outro quark top se desintegra de forma estranha (em um bottom e um bóson de Higgs carregado).
4. Este Higgs misterioso então se dissolve instantaneamente em duas partículas mais leves: um quark charm e um quark strange.

O Desafio: Encontrar uma Agulha num Palheiro

O problema é que a maneira "normal" de os quarks top se desintegrarem acontece o tempo todo. É como tentar encontrar um tipo específico e raro de mármore vermelho em uma pilha de um bilhão de mármores vermelhos que parecem exatamente iguais.

O Higgs "fantasma" deixaria para trás dois jatos de energia (sprays de partículas) que parecem muito semelhantes aos jatos deixados pela partícula W normal. É como tentar distinguir entre dois gêmeos idênticos com base em uma foto desfocada.

O Trabalho de Detetive: Três Novos Truques

Para resolver isso, os cientistas usaram três truques principais para afiar sua visão:

1. O Ajuste Cinemático (O Solucionador de Quebra-Cabeças):
   Imagine que você tem um carro de brinquedo quebrado e quer saber como era antes de quebrar. Você mede as peças e usa matemática para "reconstruir" o carro em sua mente, forçando as peças a se encaixarem perfeitamente de acordo com as leis da física. Os cientistas fizeram isso com cada colisão. Ao forçar matematicamente as peças a se encaixarem na forma de "quark top", eles puderam limpar as fotos desfocadas e tornar o sinal mais claro. Isso removeu muito do "ruído" que normalmente esconde o fantasma.

2. O Detector "Charm" (A Verificação de Identidade):
   O Higgs fantasma é suposto se transformar em um quark charm. Os cientistas usaram uma IA superinteligente (chamada DeepJet) treinada para reconhecer a "impressão digital" de um quark charm. É como ter um porteiro em um clube que consegue distinguir entre um convidado VIP (charm) e um visitante comum (quarks leves) apenas olhando para o documento de identidade deles. Eles categorizaram os eventos com base no quão confiante a IA estava de que viu um quark charm.

3. O BDT (O Filtro Inteligente):
   Em vez de apenas definir regras simples (como "se a partícula tiver esta massa, mantenha-a"), eles usaram uma Árvore de Decisão Boosted (BDT). Pense nisso como um filtro superinteligente que olha para 18 pistas diferentes ao mesmo tempo (velocidade, ângulo, energia, etc.) para decidir: "Isso é um quark top normal ou é o Higgs fantasma?" Ele aprende com milhões de simulações de computador para detectar as diferenças sutis que um olho humano perderia.

Os Resultados: O Fantasma Ainda Está Se Escondendo

Após passar todos os seus dados por esses filtros de alta tecnologia, os cientistas analisaram os resultados finais.

• Eles encontraram o fantasma? Não.
• O que eles viram? Eles viram exatamente o que esperavam ver se o fantasma não existisse. O número de eventos "estranhos" correspondeu perfeitamente às previsões do Modelo Padrão. Os dados eram consistentes com os gêmeos "normais", não com o fantasma raro.

A Conclusão: Estabelecendo os Limites

Embora eles não tenham encontrado o fantasma, isso é um grande sucesso. Ao não encontrá-lo, eles traçaram um cercado muito apertado ao redor de onde o fantasma poderia estar se escondendo.

• Eles provaram que, se este bóson de Higgs carregado existir, ele não pode ser responsável por mais de 0,07% a 1,12% dos decaimentos de quarks top na faixa de massa que verificaram (40 a 160 GeV).
• Eles estabeleceram os limites mais rigorosos já alcançados para a faixa de massa de 70–110 GeV.
• Eles foram os primeiros a procurá-lo na faixa de 40–50 GeV e não encontraram nada lá também.

Em termos simples: Os cientistas procuraram muito por uma nova partícula que algumas teorias dizem que deveria existir. Eles não a encontraram. Isso significa que, se esta partícula de fato existir, ela é ainda mais rara e elusiva do que pensávamos. O livro de regras do "Modelo Padrão" permanece intacto por enquanto, e a busca por nova física deve continuar em outras direções.

Resumo técnico

1. Declaração do Problema e Motivação Física

O Modelo Padrão (MP) da física de partículas prevê um único dobleto de Higgs, resultando em um único bóson de Higgs físico ($H$). No entanto, muitas teorias Além do Modelo Padrão (BSM), particularmente Modelos de Dois Dobleto de Higgs (2HDMs), preveem a existência de partículas escalares adicionais, incluindo um bóson de Higgs carregado ($H^\pm$).

• Mecanismo de Produção: Em muitos cenários de 2HDM, o bóson de Higgs carregado pode ser produzido via o decaimento de um quark top ($t \to H^+ b$). Isso é cinematicamente permitido apenas se $m_{H^\pm} < m_t$.
• Canal de Decaimento: Embora o decaimento $H^\pm \to \tau \nu$ seja frequentemente dominante, cenários específicos de 2HDM (Modelos Tipo II e Tipo Y invertidos) preveem uma fração de ramificação substancial para $H^\pm \to c\bar{s}$ (quarks charm e strange), particularmente em regiões de $\tan\beta$ baixo e alto.
• O Desafio: A busca por $H^\pm \to c\bar{s}$ em eventos de pares de quarks top ($t\bar{t}$) é experimentalmente difícil porque o estado final (dois jatos leves provenientes do $H^\pm$, dois jatos $b$, um lépton e energia transversal faltante) é indistinguível do fundo dominante do MP onde ambos os quarks top decaem via $t \to W b$ (com $W \to q\bar{q}'$). O sinal manifesta-se como uma ressonância no espectro da massa invariante dijet ($m_{jj}$), mas isso é obscurecido pelo pico largo do bóson $W$ e pelo fundo combinatório.

2. Metodologia

Dados e Simulação:

• Conjunto de Dados: Dados de colisões próton-próton coletados pelo detector CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2016–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$.
• Simulação do Sinal: Gerada utilizando MADGRAPH5_aMC@NLO em Ordem Próxima à Principal (NLO) para $m_{H^\pm}$ variando de 40 a 160 GeV em passos de 10 GeV. A fração de ramificação é assumida como $B(H^\pm \to cs) = 100\%$.
• Simulação do Fundo: Processos de MP $t\bar{t}$ (dominante, ~90%), top único, $W/Z$+jatos e multijatos QCD gerados utilizando POWHEG e MADGRAPH5_aMC@NLO.

Seleção de Eventos:

• Topologia: Eventos são selecionados no canal lépton+jatos, exigindo exatamente um elétron ou múon isolado, momento transversal faltante ($p_T^{miss}$) e pelo menos quatro jatos.
• Identificação de Sabor: Os eventos devem conter pelo menos dois jatos identificados como $b$ (usando o algoritmo DEEPJET).
• Ajuste Cinemático: Um ajuste cinemático é aplicado para resolver ambiguidades na atribuição de jatos. Ele minimiza uma função $\chi^2$ ao restringir o sistema lépton-neutrino à massa do $W$ e os sistemas $W$-jato à massa do top. Isso melhora significativamente a resolução da massa invariante dijet ($m_{jj}$).
• Definição de Jatos Leves: Jatos não identificados como jatos $b$ são denominados "jatos leves". O sinal é reconstruído a partir dos dois jatos leves atribuídos ao candidato de bóson hadrônico.

Estratégias de Categorização de Eventos:
A análise emprega duas abordagens complementares para maximizar a sensibilidade:

1. Método Baseado em Cortes: Os eventos são categorizados com base no desempenho da identificação de charm (c-tagging). Usando discriminadores CvsL (charm vs. leve) e CvsB (charm vs. bottom), os eventos são classificados em categorias "Frouxo", "Médio" e "Rigoroso" com base na maior pontuação de c-tag dos dois jatos leves.
2. Método Multivariado (BDT): Uma Árvore de Decisão Boosted (BDT) é treinada para separar o sinal do fundo dominante de $t\bar{t}$ do MP.
   • Entradas: 18 variáveis incluindo propriedades cinemáticas ($p_T$, $\Delta\phi$, $\Delta R$), correlações angulares e pontuações de c-tagging (CvsL, CvsB) para jatos leves e $b$.
   • Treinamento: BDTs separados são treinados para hipóteses de baixa massa (40–70 GeV) e alta massa (80–160 GeV). A saída do BDT é usada para criar três categorias exclusivas (Frouxo, Médio, Rigoroso) para otimizar a separação sinal-fundo.

Análise Estatística:

• Um ajuste de verossimilhança máxima binned é realizado na distribuição $m_{jj}$ nas regiões de sinal.
• O modelo de ajuste inclui o fundo do MP (constrangido por incertezas sistemáticas) e a hipótese de sinal.
• Incertezas Sistemáticas: Fontes principais incluem Escala/Resolução de Energia de Jatos (JES/JER), eficiências de identificação $b$ e $c$, modelagem teórica (variações de escala, PDFs) e luminosidade. O fundo de multijatos QCD é estimado usando um método baseado em dados "Método AB" (regiões de controle com léptons não isolados).

3. Contribuições Principais

• Amplitude de Massa Estendida: Esta análise investiga a faixa de massa 40–50 GeV, fornecendo os primeiros limites diretos sobre bósons de Higgs carregados produzidos em decaimentos de top nesta janela de baixa massa específica. Buscas anteriores frequentemente tinham limiares de massa mais baixos em torno de 60–80 GeV devido a limitações de gatilho ou reconstrução.
• Sensibilidade Aprimorada em 70–110 GeV: Os resultados fornecem os limites mais rigorosos até a data na faixa de 70–110 GeV, superando resultados anteriores do ATLAS e do CMS.
• Técnicas Avançadas:
  • Implementação de um ajuste cinemático completo para suprimir caudas de alta massa no espectro $m_{jj}$ causadas por pareamento incorreto de jatos.
  • Utilização de discriminadores de identificação de charm (CvsL/CvsB) como principal mecanismo para distinguir $H^\pm \to cs$ de $W \to q\bar{q}'$ e fundos de sabor leve.
  • Implementação de uma estratégia multivariada BDT ao lado de métodos tradicionais baseados em cortes para explorar correlações entre variáveis cinemáticas e de sabor.
• Uso do Conjunto de Dados Completo: Utilização do conjunto de dados completo da Corrida 2 de 2016–2018 (138 fb$^{-1}$), aumentando significativamente o poder estatístico em comparação com análises anteriores a 13 TeV.

4. Resultados

• Observação: O rendimento observado no espectro $m_{jj}$ é consistente com as previsões do Modelo Padrão. Nenhum excesso significativo ou estrutura ressonante indicativa de um bóson de Higgs carregado foi encontrado.
• Limites Superiores: Limites superiores de 95% de Nível de Confiança (CL) foram estabelecidos sobre a fração de ramificação $B(t \to H^\pm b)$, assumindo $B(H^\pm \to cs) = 100\%$.
  • Os limites observados variam de 0,07% a 1,12% em toda a faixa de massa de 40–160 GeV.
  • Desempenho Específico:
    • Os limites são até 75% melhores que os resultados anteriores do CMS (baseados em dados de 2016).
    • Os limites são 40–70% melhores que os resultados correspondentes do ATLAS na faixa de 70–110 GeV.
• Exclusão: A análise exclui regiões específicas do espaço de parâmetros do 2HDM, particularmente para bósons de Higgs carregados de baixa massa onde as restrições anteriores eram fracas ou inexistentes.

5. Significância

Este artigo representa um marco significativo na busca por setores de Higgs estendidos no LHC. Ao visar com sucesso o desafiador canal de decaimento $H^\pm \to c\bar{s}$ com alta precisão:

1. Ele fecha uma lacuna crítica na busca por bósons de Higgs carregados leves abaixo de 50 GeV, uma região anteriormente difícil de acessar.
2. Demonstra a eficácia da identificação de charm e da análise multivariada no isolamento de sinais BSM raros de fundos avassaladores de QCD e $t\bar{t}$ do MP.
3. Os limites rigorosos restringem significativamente o espaço de parâmetros de 2HDMs Tipo II e Tipo Y, particularmente em regiões com $\tan\beta$ baixo e alto, orientando futuros modelos teóricos e estratégias experimentais para a Corrida 3 e o LHC de Alta Luminosidade.