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

Resumo Técnico: Busca pela produção de $tH$ no modo de decaimento $H \to \tau\tau$ e combinação com outras buscas

Problema e Motivação
O acoplamento de Yukawa do bóson de Higgs com o quark top ($y_t$) é fundamental para compreender a estabilidade do vácuo eletrofraco e a forma do potencial do Higgs. Embora a produção de um bóson de Higgs em associação com um par top-antitop ($t\bar{t}H$) tenha sido observada, a produção de um bóson de Higgs com um único quark top ($tH$) permanece elusiva. O processo $tH$ é unicamente sensível ao sinal do acoplamento de Yukawa do quark top devido à interferência destrutiva entre diagramas onde o Higgs se acopla ao quark top e aqueles onde ele se acopla ao bóson $W$. Isso torna o $tH$ uma sonda sensível para potenciais novas físicas, como uma mistura $CP$-ímpar no acoplamento. Buscas anteriores pela Colaboração ATLAS nos modos de decaimento $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e estados finais multileptônicos forneceram forças de sinal compatíveis com o Modelo Padrão (SM), mas com significância limitada. Este artigo aborda a necessidade de melhorar a sensibilidade visando o modo de decaimento $H \to \tau\tau$, especificamente em estados finais contendo léptons $\tau$ com decaimento hadrônico ($\tau_{\text{had}}$), e combinando esses resultados com medições anteriores da ATLAS.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector ATLAS a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 140 fb$^{-1}$ (Run 2). A busca foca nos modos de produção $tHq$e$tWH$, onde o bóson de Higgs decai em um par de léptons $\tau$, com pelo menos um $\tau$ decaindo hadronicamente.

• Seleção de Eventos: Dois canais distintos são definidos com base na topologia do estado final:
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$: Eventos com dois léptons leves estritos (elétrons ou múons) e um $\tau_{\text{had}}$ estrito. A região de sinal (SR) exige que os dois léptons leves tenham a mesma carga elétrica (SS), o que suprime significativamente os fundos redutíveis.
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$: Eventos com um lépton leve estrito e dois $\tau_{\text{had}}$ estritos de carga oposta.
  • Os critérios de pré-seleção incluem requisitos de $p_T$ de lépton, isolamento e a presença de pelo menos dois jets, sendo um ou dois identificados como $b$-jets.
• Reconstrução:
  • Quark Top: Reconstruído usando o $b$-jet líder e o lépton leve. O neutrino do decaimento do top é estimado com base em correlações cinemáticas com o lépton carregado.
  • Bóson de Higgs: A massa do sistema $\tau\tau$ é reconstruída usando o método do Calculador de Massa Ausente (MMC), que utiliza os produtos de decaimento visíveis do $\tau$ e o momento transversal ausente atribuído ao sistema do Higgs.
• Análise Multivariada: Para aumentar a razão sinal-fundo, redes neurais artificiais (NNs) são treinadas separadamente para cada canal. As NNs distinguem entre eventos de sinal $tH$ e processos de fundo (dominados por $t\bar{t}$, $t\bar{t}X$, $W/Z$+jets e dibósons). As características de entrada incluem variáveis cinemáticas dos objetos do estado final, o jet espectador (característico de $tHq$) e massas reconstruídas.
• Estimativa de Fundo: Uma abordagem baseada em dados é empregada para estimar os fundos provenientes de léptons leves mal identificados e fakes de $\tau_{\text{had}}$ (jets mal identificados como $\tau$). Fatores de normalização (NFs) são derivados em regiões de controle (CRs) dedicadas, enriquecidas em tipos específicos de fundo (ex: decaimentos de sabor pesado, fakes de $\tau$ em diferentes bins de $p_T$), e aplicados às regiões de sinal.
• Combinação Estatística: Os resultados dos canais $H \to \tau\tau$ são combinados com buscas anteriores da ATLAS nos canais $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e multileptônicos. A combinação contabiliza as incertezas sistemáticas correlacionadas (experimentais e teóricas) e utiliza um ajuste de verossimilhança de perfil para extrair a força do sinal ($\mu_{tH}$).

Principais Contribuições

• Novo Canal: Este trabalho apresenta a primeira busca da ATLAS para a produção $tH$ no modo de decaimento $H \to \tau\tau$ com decaimentos de $\tau$ hadrônicos, utilizando o conjunto completo de dados da Run 2.
• Melhoria na Modelagem de Fundo: A análise implementa uma estimativa detalhada baseada em dados para fakes de \tau_{\text_had} e léptons leves mal identificados, utilizando múltiplas regiões de controle para restringir os fatores de normalização através de diferentes regimes cinemáticos.
• Combinação Abrangente: O artigo realiza a combinação mais abrangente de buscas de $tH$ até o momento, integrando os novos resultados de $H \to \tau\tau$ com medições anteriores da ATLAS em $H \to \gamma\gamma$, $H \to b\bar{b}$ e estados finais multileptônicos. Isso inclui atualizações para a análise de $H \to b\bar{b}$ para corrigir contribuições de léptons falsos.

Resultados

• Canal Individual ($H \to \tau\tau$): Não é observado excesso significativo sobre o fundo esperado. A força de sinal medida é $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$. Um limite superior observado (esperado) ao nível de confiança (CL) de 95% para a força do sinal é estabelecido em 8,6 (9,3) vezes a previsão do Modelo Padrão.
• Medição Combinada: A combinação dos resultados de $H \to \tau\tau$ com buscas anteriores da ATLAS resulta em uma força de sinal medida de:
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (estatística)} ^{+1.1}_{-1.0} \text{ (sistemática)}$$
  Isso corresponde a uma significância observada (esperada) de 2,3 (0,8) desvios padrão.
• Limites Combinados: O limite superior observado (esperado) de 95% CL combinado para a força do sinal é 6,1 (2,7) vezes a previsão do SM.
• Consistência: A força de sinal medida é compatível com a previsão do SM ao nível de 12%. Ao permitir que a força do sinal de $t\bar{t}H$ flutue, os resultados permanecem amplamente inalterados, confirmando a robustez da medição de $tH$ contra contribuições de $t\bar{t}H$.

Significância
O artigo afirma que esta combinação representa a medição mais precisa de produção de $tH$ até o momento. Ao integrar o novo canal $H \to \tau\tau$ com buscas existentes, a análise alcança uma precisão significativamente melhorada em comparação com combinações anteriores da Run 2 ou medições individuais da Run 3. O resultado fornece as restrições mais fortes até o momento sobre a seção de choque de produção de $tH$ e o sinal do acoplamento de Yukawa do quark top dentro da estrutura da ATLAS, preparando o terreno para futuras medições de precisão na Run 3 e além.