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Search for charged Higgs bosons decaying into top and bottom quarks in lepton+jets final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 CMS 探测器收集的 138 fb $^{-1}$ 能量为 13 TeV 的质子-质子碰撞数据，本研究首次在广义双希格斯双重态模型（g2HDM）框架下，对衰变为顶夸克和底夸克的带电希格斯玻色子进行了搜索，在 600 GeV 处观测到 2.4 $\sigma$ 的局部过剩，并对该模型的汤川耦合 $\rho_{\mathrm{tt}}$ 和 $\rho_{\mathrm{tc}}$ 设定了 95% 置信水平的限制。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-10-14

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CC BY 4.0

原作者： CMS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

几十年来，关于宇宙运作方式最成功的理论一直是标准模型。它是基本粒子以及推动和拉动它们的力的精确地图。2012年，瑞士大型强子对撞机的科学家们证实了这张地图的最后一块拼图：一种被称为希格斯玻色子的粒子。这一发现是一次伟大的胜利，但也留下了一个挥之不去的问题。标准模型预测希格斯玻色子只有一种形式，即单一粒子。然而，许多物理学家怀疑宇宙可能更加复杂，或许隐藏着第二种更重的这种粒子，甚至是一整族这样的粒子。如果这些粒子存在，它们可以解释当前地图无法解释的奥秘，例如为什么宇宙是由物质而非反物质组成的。寻找这些额外粒子的过程不仅仅是为了寻找新事物，更是为了测试我们对现实的理解是完整的，还是仅仅是对更深层真相的一个草图。

一位使用大型强子对撞机CMS探测器的研究人员对这个问题进行了全新的审视，正在搜寻一种被称为带电希格斯玻色子的特定类型重粒子。与不带电荷的熟悉希格斯玻色子不同，这种假设的粒子将携带电荷，就像电子或质子一样。研究人员分析了来自质子-质子碰撞的大量数据，这些数据对应于2016年至2018年间记录的138 fb⁻¹的积分亮度。他们正在寻找一种非常特定的特征信号：一次产生单个电子或μ子、一簇不可见能量以及包含底夸克的数个粒子喷注的碰撞。如果一个带电希格斯玻色子被创造出来并随后衰变为一个顶夸克和一个底夸克，那么这种特定的碎片组合将成为“证据确凿”的迹象。

这项搜索由一个被称为广义双希格斯双标模型（generalized two-Higgs-doublet model）的理论框架所引导。简单来说，该模型表明希格斯玻色子与其他粒子的相互作用方式超出了标准理论所允许的范围。具体而言，它提出希格斯玻色子可以以一种不受通常粒子物理规则限制的强度与顶夸克和粲夸克进行“对话”。研究人员通过寻找质量在2000亿电子伏特到1万亿电子伏特之间的带电希格斯玻色子来测试这一想法。他们使用复杂的计算机算法从数据中筛选，将新粒子的微弱信号与普通粒子碰撞产生的压倒性背景噪声区分开来。

分析揭示了一个微小但引人注目的暗示。在对应于质量为6000亿电子伏特的带电希格斯玻色子的数据中，研究人员观察到事件数量比标准模型预测的略有增加。这种增加出现的统计显著性为2.4个标准差。用粒子物理学的语言来说，这还不足以宣布发现——宣布发现需要更高水平的确定性——但这是一个值得进一步关注的显著波动。它表明在这一特定质量范围内，自然界的表现可能与预期略有不同，尽管这也可能是一个罕见的统计巧合。

尽管有这一暗示，该研究的主要作用在于为什么是可能的设定严格的边界。研究人员利用其数据排除了理论景观中的大部分区域。他们确定，如果广义模型是正确的，那么希格斯玻色子与顶夸克和粲夸克之间的相互作用强度不能太大。具体而言，他们排除了取决于粒子质量和其他假设的、大于0.11至0.38的相互作用强度值。对于他们测试的整个质量范围（从2000亿到1万亿电子伏特），他们能够排除高于0.38的相互作用强度。这些限制是针对该特定理论模型中带电希格斯玻色子的首批此类限制，为试图构建更完整宇宙图景的理论学家提供了至关重要的约束。

这项工作代表了探索希格斯领域进程中的重要一步。通过专注于一个此前难以研究的通道，研究人员为潜在新粒子的特性开启了一扇新的窗口。虽然在6000亿电子伏特处的轻微过剩仍是一个悬而未决的问题，但对如此多理论可能性的排除，使科学界更接近于得知宇宙是否持有第二个希格斯玻色子，或者标准模型是否独树一帜。搜索仍在继续，这项分析的数据将作为未来探测物质核心更深处实验的重要参考点。

技术摘要：g2HDM 框架下的带电希格斯玻色子搜索

问题与动机
在 2012 年发现与标准模型（SM）预测一致的 125 GeV 希格斯玻色子之后，存在第二个标量双重态仍然是一个引人注目的理论可能性。虽然传统的双希格斯双重态模型（2HDM）通过施加 $Z_2$ 对称性来抑制味改变中性流（FCNC），但广义双希格斯双重态模型（g2HDM）放宽了这一约束。在 g2HDM 中，额外的 Yukawa 耦合（ $\rho_{tt}$ 、 $\rho_{tc}$ 、 $\rho_{tu}$ ）允许存在未受抑制的涉及顶夸克的 FCNC 相互作用。具体而言，耦合 $\rho_{tc}$ 可以通过 $pp \to (b)H^\pm$ 过程显著增强带电希格斯玻色子（ $H^\pm$ ）的产生截面，其中 $H^\pm$ 衰变为顶夸克和底夸克（$tb$）。与 2HDM-II 不同，在 2HDM-II 中此类通道受到抑制，而 g2HDM 预测这些通道是主要的产生模式，这为在单轻子末态进行专门搜索提供了动力。

方法论
本分析利用了 CMS 探测器在质心能量 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下收集的质子-质子碰撞数据，对应于 138 fb $^{-1}$ 的积分亮度（2016–2018 年）。该搜索针对的过程为 $pp \to (b)H^\pm \to (b)tb$ ，其中顶夸克通过轻子衰变（ $t \to b\ell\nu$ ，其中 $\ell = e, \mu$ ）。

事件选择： 要求事件包含恰好一个“紧凑型”（tight）隔离轻子（电子或缪子）、缺失横动量（ $p_T^{miss} > 35$ GeV）以及至少两个带有 $b$ -标签的喷注。额外的运动学要求包括喷注横动量的标量和（ $H_T > 200$ GeV），并剔除含有额外松散（loose）轻子的事件。
信号区域（SRs）： 为了优化不同产生模式和质量假设下的灵敏度，分析根据 $b$ -标签喷注的数量和总喷注数量定义了五个信号区域：2b2j、2b3j、2b4j、3b3j 和 3b4j。
重建： 通过首先利用 $W$ 玻色子质量约束推断中微子动量，然后将重建的顶夸克候选体与一个 $b$ -喷注配对以形成 $H^\pm$ 候选体，从而重建 $H^\pm$ 质量（ $m_{H^\pm}$ ）。
背景估计： 主要背景包括 $t\bar{t}$ 、单顶过程和 $W$ +喷注。非瞬发轻子背景（来自重夸克衰变或误识别强子）使用“紧凑对松散”（tight-to-loose）数据驱动方法进行估计。其他背景使用归一化到高阶截面计算的蒙特卡洛（MC）模拟进行建模。
信号提取： 采用参数化深度神经网络（pDNN）来区分信号与背景。pDNN 基于运动学变量（如轻子 $p_T$ 、 $b$ -喷注角分离度、不变质量）进行训练，并由假设的 $m_{H^\pm}$ 进行参数化，以便在不同质量点之间进行插值。网络针对 2b 和 3b 信号区域以及不同的数据采集周期分别进行训练。
统计分析： 对所有信号区域和通道（ $e$ 和 $\mu$ ）的 pDNN 得分分布进行同时拟合，以提取信号强度。系统不确定度（包括来自亮度、探测器性能和理论建模 [PDFs、重整化/因子化标度] 的不确定度）被视为干扰参数（nuisance parameters）进行处理。

主要贡献

首次在单轻子通道中进行的 g2HDM 搜索： 本工作展示了首次针对单轻子末态在 g2HDM 框架下进行的带电希格斯玻色子搜索。此前的 g2HDM 搜索侧重于同号顶夸克、三顶夸克和四顶夸克末态中的中性希格斯玻色子。
全面的运动学建模： 使用 pDNN 可以有效地在整个质量范围（200 GeV 至 1 TeV）内插值信号假设，并处理由额外 Yukawa 耦合引入的复杂运动学依赖关系。
额外 Yukawa 耦合的解释： 结果通过假设 $\rho_{tu} = 0$ ，对额外 Yukawa 耦合 $\rho_{tt}$ 和 $\rho_{tc}$ 的实部进行了约束解释。

结果

过剩观察： 在信号质量假设为 $m_{H^\pm} = 600$ GeV 时，观察到相对于标准模型预期的事件过剩。该过剩的局部显著性为 2.4 个标准差。
截面限制： 在 95% 置信水平（CL）下，对产生截面与分支比的乘积 $\sigma(pp \to (b)H^\pm) \times \mathcal{B}(H^\pm \to tb)$ 设定了上限。
耦合排除： 取决于假设的 $m_{H^\pm}$ $m_{H^{\pm}}$ 和 $\rho_{tt}$ $ρ_{tt}$ 值，该分析在 95% CL 下排除了 $\rho_{tc} \gtrsim 0.11–0.38$ $ρ_{t c} ≳ 0.11-0.38$ 的取值。
- 最强的排除出现在 $m_{H^\pm} = 400$ GeV 附近，此时对于 $\rho_{tt} = 1.0$ ，排除了 $\rho_{tc} > 0.11$ 。
- 对于 $\rho_{tt} = 1.0$ ，在整个测试质量范围（200 GeV 至 1 TeV）内，排除了 $\rho_{tc} > 0.38$ 的取值。
最佳拟合值： 对于 600 GeV 处的过剩，最佳拟合的截面乘以分支比值为 $\sigma(pp \to H^\pm)\mathcal{B} = 0.055^{+0.068}_{-0.055}$ pb 且 $\sigma(pp \to bH^\pm)\mathcal{B} = 0.032^{+0.035}_{-0.029}$ pb。

意义
论文声称，这些结果代表了在单轻子末态中对 g2HDM 框架内带电希格斯玻色子的首次直接搜索。该分析补充了现有的对同号顶夸克、三顶夸克和四顶夸克末态中中性希格斯玻色子的约束。通过探测高达单位量级的 $\rho_{tc}$ 和 $\rho_{tt}$ 耦合，这项研究为 g2HDM 的参数空间提供了关键约束，特别是在 FCNC 相互作用可能解释电弱重构或对齐机制可能隐藏新物理的区域。观察到的 2.4 $\sigma$ 过剩虽然尚未构成发现，但凸显了一个值得随亮度增加而进一步研究的潜在偏离标准模型的现象。

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