Search for flavour-changing neutral current couplings between the top quark and the Higgs boson in multilepton final states with the ATLAS detector

利用 ATLAS 探测器中 140 fb$^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，本研究在多轻子末态中寻找顶夸克与希格斯玻色子之间的味改变中性流相互作用，并分别对 $\mathcal{B}(t\to Hu)$ 和 $\mathcal{B}(t\to Hc)$ 的分支比设定了分别为 $2.8 \times 10^{-4}$ 和 $3.3 \times 10^{-4}$ 的观测上限。

要点

想象一下，宇宙是一个巨大的、高速旋转的舞池，而粒子就是其中的舞者。在这场舞蹈中，谁能与谁搭档有着严格的规则。所谓的“标准模型”就是物理学家编写的规则手册。根据这本规则手册，一个被称为顶夸克（最重且能量最高的舞者）的特定舞者，只能以非常特定的方式与某些其他舞者搭档。

其中一条最严格的规则是，顶夸克绝不应该在与“希格斯玻色子”（赋予其他粒子质量的粒子）交换舞伴后，立即切换到“粲夸克”或“上升夸克”。这种被禁止的动作被称为味改变中性流（FCNC）。在标准规则手册中，这种动作极其罕见，几乎是不可能的——就像预期一个舞者会通过瞬间移动跨越房间，而不是走路一样。

调查：一场高风险的搜寻

你提供的论文描述了由大型强子对撞机（LHC）中的 ATLAS 协作组进行的一次大规模调查。你可以把 LHC 想象成一个巨大的粒子粉碎机，它将质子以接近光速的速度碰撞在一起，从而产生混乱的爆炸并创造出各种粒子。ATLAS 探测器则像是一个巨大的、超高速的摄像机，试图捕捉那场爆炸中每一个细微的动作。

该团队研究了 2015 年至 2018 年间 140 万亿（140 fb⁻¹）次的此类碰撞。他们专门在寻找两种类型的“舞蹈动作”，即顶夸克可能违反规则的情况：

1. “衰变”动作： 一对顶夸克被创造出来，其中一个自发地违反规则，转变为一个希格斯玻色子和一个较轻的夸克。
2. “产生”动作： 一个顶夸克和一个希格斯玻色子同时被创造出来，但它们通过一个与上升夸克或粲夸克的禁忌连接联系在一起。

线索：大海捞针

问题在于，这些违反规则的事件极其罕见，而“干草堆”（正常的粒子碰撞）又极其庞大。为了找到这根“针”，科学家们必须寻找特定的模式，或者说“指纹”。

• 特征： 他们寻找的是那些产生的碎片包含具有相同电荷的轻子（如电子和缪子）的事件。在正常的舞蹈中，电荷通常是平衡的。发现两个正电荷或两个负电荷的轻子同时出现，是发生异常情况的强烈暗示。
• 过滤器： 他们使用了计算机算法（就像一个非常聪明的门卫）来过滤掉数百万个无聊的正常事件。他们专注于具有特定能量水平和特定类型喷注（粒子喷射）的事件，以确保他们观察的是正确的舞池。
• “假冒”舞者： 一个主要的挑战是区分真实的违规者与“冒充者”。有时，正常的粒子会以一种看起来像是违规者的方式进行衰变，或者探测器的误差会让一个粒子看起来具有错误的电荷。团队使用了统计方法来估算数据中隐藏了多少这些“假”事件，并将它们减去。

裁决：未发现规则破坏者

在运行了复杂的分析（包括训练人工智能神经网络来识别正常舞蹈与禁忌舞蹈之间的微妙差异）之后，结果非常明确：

他们没有发现任何违规舞蹈的证据。

他们观察到的可疑事件数量，完全符合如果标准模型规则被完美遵守时所预期的数量。数据中并没有隐藏额外的“规则破坏者”。

结论：收紧规则

由于他们没有发现这种禁忌的动作，他们并没有仅仅停留在“没找到”这一层面。他们精确地计算了这种动作究竟有多么罕见。

• 他们设定了一个新的、更严格的限制：如果顶夸克确实通过转变为希格斯和上升夸克来违反规则，那么这种情况发生的概率小于 10,000 次中的 2.8 次。
• 如果它转变为希格斯和粲夸克，那么发生的概率小于 10,000 次中的 3.3 次。

这些数字是我们目前建立的最严苛的约束（最严格的规则）。虽然他们并没有在这个特定的搜索中发现“新物理学”，但他们成功地关闭了许多预测这种动作会更频繁发生的理论之门。这就像一名侦探在城市中搜寻特定的罪犯；尽管他们没有抓到罪犯，但他们证明了罪犯并没有躲藏在他们搜寻的地方，从而迫使罪犯（或相关理论）变得更加难以捉摸。

简而言之：顶夸克仍在遵循规则，而宇宙仍在按照标准模型的书本进行表演——至少就这种特定的舞蹈动作而言是如此。

技术摘要

技术摘要：寻找顶夸克与希格斯玻色子之间的味改变中性流耦合

问题陈述
涉及顶夸克与希格斯玻色子的味改变中性流（FCNC）相互作用（即 $t \to Hq$，其中 $q=u$ 或 $c$）在标准模型（SM）中在树级上是被禁止的，并且受到格拉肖-伊里奥波洛斯-马尼（GIM）机制的强烈抑制，其预测的分支比约为 $10^{-15}$。然而，各种超越标准模型（BSM）的理论（例如双希格斯双重态模型）预言了显著增强的速率，最高可达 $10^{-3}$。因此，观测到这些稀有相互作用将为新物理提供直接证据。本研究旨在利用大型强子对撞机（LHC）的数据来寻找此类耦合。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在 LHC 第二运行阶段（2015–2018年）期间，在质心能量为 13 TeV 的质子-质子碰撞中记录的 140 fb$^{-1}$ 数据。搜索目标针对两种特定的产生机制：

1. 衰变通道（'Dec'）： 顶-反顶（$t\bar{t}$）对产生，其中一个顶夸克通过 FCNC 过程 $t \to Hq$ 进行衰变。
2. 产生通道（'Prod'）： 顶夸克与希格斯玻色子的伴随产生（$tH$），主要由$qg \to tH$ 过程主导。

事件选择与重建
分析侧重于多轻子末态以提高信号纯度：

• 2 个同号轻子（2$\ell$SS）： 具有两个电荷相同的轻子（$e, \mu$）的事件。
• 3 个轻子（3$\ell$）： 具有三个轻子的事件，要求其中恰有两个具有相同的电荷。

选择标准要求至少有一个轻子的横动量（$p_T$）$> 28$ GeV，以及其他轻子的 $p_T > 10$ GeV。事件必须包含至少一个喷注，且其中至少有一个经过 $b$-标记（$b$-tagged）喷注。

背景估计
很大一部分背景源自非瞬发轻子（主要源于 $t\bar{t}$ 产生中的 $B$-强子衰变）。这些背景使用**模板拟合法（Template Fit Method）**进行估计，其中归一化因子通过在 2 轻子和 3 轻子末态中的同步最大似然拟合来确定。定义了控制区以验证该方法。

• 瞬发轻子背景： 如 $t\bar{t}W$ 和 $t\bar{t}Z$ 等过程通过受专用控制区约束的自由浮动归一化进行建模。
• 电荷误识别： 在 2$\ell$SS 通道中，来自电荷误识别的瞬发电子背景通过涉及 $Z$ 玻色子质量区域的数据驱动方法进行建模。
• 其他背景： 较小的贡献被归入“其他（Others）”类别。

信号判别
为了将信号与背景分离，采用了两种自定义重建算法：递归剪辑重建（Recursive Jigsaw Reconstruction）和中微子无关组合估计器（Neutrino Independent Combinatorics Estimator）。从这些算法中导出的变量被组合成单个判别式，并使用人工神经网络（DNN）。DNN 输出分布作为剖面似然拟合（profile-likelihood fit）的输入，以提取信号归一化。

关键结果
分析未发现相对于标准模型背景预测的显著超额事件。对于 $tHu$和$tHc$信号，最佳拟合信号归一化与零相容，任何参数的偏差均未超过$1\sigma$。

在 95% 置信水平（CL）下计算了上限排除极限，使用了 $CL_s$ 方法：

• 分支比：
  • $B(t \to Hu) < 2.8 \times 10^{-4}$ （预期值：$3.0 \times 10^{-4}$）
  • $B(t \to Hc) < 3.3 \times 10^{-4}$ （预期值：$3.8 \times 10^{-4}$）
• 威尔逊系数： 还对维度-6 有效场论（EFT）算符的绝对值威尔逊系数 $|C_{u\phi}^{qt,tq}|$ 设定了限制：
  • $tHu$:$0.71$（预期值：$0.73$）
  • $tHc$:$0.76$（预期值：$0.82$）

显著性与组合
这些结果代表了目前对多轻子通道中顶夸克与希格斯玻色子之间 FCNC 耦合的最强约束。论文指出，当与其他涉及希格斯衰变为 $\tau\tau$、$b\bar{b}$ 和 $\gamma\gamma$ 的 ATLAS 搜索相结合时，这些限制会进一步提高。组合分析得出：

• $B(t \to Hu) < 2.6 \times 10^{-4}$
• $B(t \to Hc) < 3.4 \times 10^{-4}$

这项工作为未来的 FCNC 相互作用研究建立了新的基准，确认了在当前 ATLAS 探测器灵敏度范围内不存在此类信号。