Searching for charged Higgs bosons in top decays via the $t^*b$ channel

Resumo Técnico: Busca por Bósons de Higgs Carregados em Decaimentos de Top via o canal $t^*b$

Definição do Problema
Embora buscas extensas por bósons de Higgs carregados leves ($H^\pm$) com massas abaixo da massa do quark top ($m_{H^\pm} < m_t$) tenham sido conduzidas no LHC, elas visam primordialmente os modos de decaimento convencionais: $H^\pm \to \tau\nu$, $cs$e$cb$. O canal de decaimento $H^\pm \to tb$ tem sido historicamente restrito a cenários de Higgs carregado pesados, onde o quark top está on-shell. Consequentemente, o canal off-shell de baixa massa, $H^\pm \to t^*b$, permanece amplamente não restringido. Isso representa uma lacuna fenomenológica, pois, abaixo do limiar do quark top, o grande acoplamento Yukawa do top pode tornar o $H^\pm \to t^*b$ o modo de decaimento dominante em modelos específicos (por exemplo, cenários top-fílicos ou top-específicos). As buscas existentes para decaimentos padrão não cobrem este regime, deixando uma assinatura potencial de setores escalares não mínimos inexplorada.

Metodologia
Os autores propõem uma estratégia de busca baseada no raro decaimento do quark top $t \to H^\pm b$, seguido pelo decaimento off-shell $H^\pm \to t^*b \to W^\pm b \bar{b}$. Em um evento $t\bar{t}$, se um top decai através desta cadeia enquanto o outro decai via o modo do Modelo Padrão (SM) $t \to Wb$, o estado final assemelha-se a $t\bar{t}b\bar{b}$ (especificamente $W^\mp b H^\pm b \to W^\mp b W^\pm b \bar{b}$).

O estudo emprega a seguinte metodologia:

1. Modelagem do Sinal: O processo de sinal é simulado usando MadGraph5_aMC@NLO em Ordem de Perturbação Leve (LO) com bibliotecas UFO de 2HDM. A massa do Higgs carregado é varrida entre 100 e 165 GeV. O outro quark top decai via SM.
2. Reinterpretação de Dados: Os autores reinterpretam medições fiduciais recentes de produção de $t\bar{t}$ dileptônico associado com $b$-jets adicionais (baseadas em 140 fb$^{-1}$ de dados de 13 TeV).
3. Validação: Eventos SM $t\bar{t}$ e $t\bar{t}b\bar{b}$ são gerados em Ordem de Perturbação Próxima (NLO) em QCD e interconectados com Pythia 8 para o chuveiro de partons (parton showering). A simulação é validada contra dados ATLAS e previsões Powheg+Pythia8 através de quatro regiões de sinal fiduciais definidas por multiplicidades de jets: $\ge 3b$, $\ge 3b \ge 1c/j$, $\ge 4b$ e $\ge 4b \ge 1c/j$.
4. Análise Estatística: Limites independentes de modelo são derivados comparando as secções de choque fiduciais medidas com as previsões do SM suplementadas pelo sinal do Higgs carregado. A análise negligencia a interferência entre as amplitudes do SM e BSM, justificada pelas estruturas ressonantes distintas e descasamentos cinemáticos (sistemas top off-shell vs. on-shell). As incertezas teóricas na previsão de $t\bar{t}b\bar{b}$ do SM (aproximadamente 30%) são tratadas usando a prescrição R-fit, permitindo que a previsão do SM varie dentro de sua banda de incerteza para maximizar a concordância com os dados.

Principais Contribuições

• Identificação de um Novo Canal: O artigo estabelece o canal $t^*b$ como uma sonda viável e anteriormente não restringida para bósons de Higgs carregados leves, particularmente em modelos onde os decaimentos convencionais são suprimidos.
• Limites Independentes de Modelo: Os autores derivam as primeiras restrições diretas sobre o produto das razões de ramificação $\text{Br}(t \to H^\pm b) \times \text{Br}(H^\pm \to t^*b)$ na faixa de massa 110–165 GeV.
• Interpretações Dependentes de Modelo: Os limites são interpretados em quatro cenários específicos de 2HDM:
  • Top-philic: Onde o $H^\pm$ acopla-se apenas ao quark top.
  • Up-type Aligned: Onde o $H^\pm$ acopla-se a todos os quarks do tipo up.
  • Top-specific: Um cenário híbrido com padrões de acoplamento específicos.
  • Canônico $Z_2$-simétrico (Tipo-I, X, Y): Modelos de referência padrão.

Resultos

• Limites de Razão de Ramificação: Para massas de Higgs carregado entre 110 e 165 GeV, a análise estabelece limites superiores de 95% de Nível de Confiança (CL) para $\text{Br}(t \to H^\pm b) \times \text{Br}(H^\pm \to t^*b)$ variando de 1,9% a 2,9%. A sensibilidade atinge o pico em torno de $m_{H^\pm} \simeq 130\text{--}150$ GeV, onde os produtos de decaimento do top off-shell são suficientemente energéticos para satisfazer os requisitos de multiplicidade de jets sem serem suprimidos pelo espaço de fase.
• Restrições de Modelo:
  • 2HDM Top-philic: A reinterpretação exclui valores do acoplamento Yukawa do top $|\xi_t| \gtrsim 0,27$ na faixa de massa mais sensível. Como as buscas convencionais para $H^\pm \to cs, cb, \tau\nu$ não se aplicam aqui, isso fornece a principal restrição direta.
  • 2HDM Up-type Aligned: A reinterpretação de $t\bar{t}b\bar{b}$ torna-se competitiva com buscas dedicadas para $H^\pm \to cs$ próximo ao limiar do quark top ($m_{H^\pm} \approx 160$ GeV), onde o modo $t^*b$ domina sobre o modo $cs$.
  • 2HDM Top-specific: A análise exclui uma região de baixo $\tan\beta$ perto do limite superior de massa que não é coberta pelas buscas convencionais para $H^\pm \to \tau\nu$, que perdem sensibilidade em baixo $\tan\beta$ devido às frações de ramificação leptônicas suprimidas.
  • Modelos Canônicos: Nos modelos Tipo-I, X e Y, o canal $t\bar{t}b\bar{b}$ não oferece vantagem sobre as buscas dedicadas existentes para os modos $cs, cb$e$\tau\nu$, pois esses canais permanecem dominantes e já estão fortemente restringidos.

Significância e Alegações
O artigo alega que a produção de $t\bar{t}$ com $b$-jets adicionais serve como uma sonda complementar para bósons de Higgs carregados leves e decaimentos não padronizados do top. Os autores enfatizam que, embora as buscas dedicadas dominem em modelos canônicos, a reinterpretação de $t^*b$ é crucial para cenários "top-philic" e "top-specific", onde os modos de decaimento padrão estão ausentes ou suprimidos.

O trabalho demonstra que recodificar medições existentes do SM pode gerar sensibilidade significativa para decaimentos não padronizados do top sem a necessidade de novas coletas de dados. Os autores concluem que estes resultados motivam análises dedicadas pelas colaborações do LHC (ATLAS e CMS) para visar especificamente o canal $t \to H^\pm b$ com $H^\pm \to t^*b$. Eles sugerem que tais análises, utilizando distribuições diferenciais e discriminantes multivariados otimizados, poderiam melhorar significativamente os limites de reinterpretação atuais, especialmente com o aumento da estatística do LHC Run 3 e da fase de Alta Luminosidade (HL-LHC).