Search for the nonresonant production of a pair of additional Higgs bosons in the Type-X two-Higgs-doublet model in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 CMS 探测器收集的质心能量为 13 TeV 的 138 fb$^{-1}$质子 - 质子对撞数据，本研究未发现非共振产生一对衰变为$\tau$轻子对的额外希格斯玻色子的证据，从而排除了 Type-X 双希格斯二重态模型的对齐情景作为解释缪子反常磁矩张力的可能。

要点

以下是该论文的通俗化解释，辅以一些富有创意的类比。

全景图：猎捕“幽灵”粒子以解开谜团

不妨将物理学的标准模型想象成一本关于宇宙运作方式的、极其详尽的巨型操作手册。几十年来，这本手册一直精准无误。但最近，科学家们在关于μ子（一种类似于电子但更重的亚原子粒子）的章节中发现了一个微小却顽固的“错别字”。

当他们测量μ子的自旋（即其“磁矩”）时，现实世界测得的数值与手册预测的数值并不匹配。虽然偏差微乎其微，但这足以暗示手册缺了一页。某种看不见的东西正在影响μ子，物理学家怀疑那是一种新的、尚未被发现的粒子。

嫌疑人："X 型”双希格斯二重态模型

为了修补这本手册，科学家们提出了一种名为X 型双希格斯二重态模型（Type-X 2HDM）的新理论。不妨将目前已知的希格斯玻色子（2012 年发现的著名粒子）视为团队中的“明星球员”。这一新理论暗示，球场上实际上有五名球员，而不仅仅是一名。

• 明星球员：我们已经发现的那一个（125 GeV 的希格斯玻色子）。
• 新球员：两个额外的中性粒子和两个带电粒子。

该理论指出，这些新球员与τ轻子（电子的重型表亲）有着极强的相互作用，但与夸克（构成质子和中子的物质）的相互作用却微乎其微。这种特定的设定被称为"X 型”，因为它具有“轻子特异性”。

策略：利用“离壳 Z"后门

通常，当科学家在大型强子对撞机（LHC）中寻找新粒子时，他们会让质子相互碰撞，并直接寻找新粒子产生的迹象。然而，在这个特定的"X 型”理论中，如果你试图只产生一个这样的新粒子，那就像在飓风中试图听清耳语一样——由于产生率太低，信号微弱到无法探测。

因此，CMS 团队（负责该实验的团体）决定尝试一种不同的战术。他们不再寻找单个新粒子，而是寻找由一个“幽灵”粒子同时产生一对新粒子的迹象。

类比：
想象你正试图捕捉两只躲藏在公园里的狡猾松鼠（新的希格斯玻色子）。

• 旧方法：你等待松鼠从洞里跑出来。但这些松鼠很害羞；它们很少单独出来。
• 新方法：你等待一根特定的树枝（离壳 Z 玻色子）折断。当它折断时，它不会只是掉落，而是会同时将两只松鼠发射到空中。尽管树枝本身是看不见的（它是“离壳”的或虚拟的），但两只松鼠同时飞出，就是事件发生的明确信号。

本文聚焦于这种特定的“树枝折断”事件：$Z^* \to \phi A$。

调查：“四τ"犯罪现场

一旦这两个新粒子（$\phi$和 $A$）被创造出来，它们就不会停留太久。它们会立即衰变（瓦解）。在 X 型模型中，它们几乎总是转化为τ轻子。

由于τ轻子是不稳定的，它们几乎会瞬间再次衰变。该团队寻找的是探测器中同时出现四个τ轻子的事件。

挑战：
探测四个τ轻子，就像试图在干草堆中寻找四根特定类型的针，而这些针还在不断改变形状并消失。

• 有些τ轻子会转化为电子或μ子（容易发现）。
• 有些会转化为强子（看起来像碎片喷流的粒子，较难发现）。
• 背景噪声（其他粒子碰撞）极其巨大。

该团队使用了一种复杂的“粒子流”算法（一种数字重建工具）来拼凑这四个粒子的轨迹。他们寻找一种特定的特征：总能量平衡与“幽灵树枝”折断的情况相符，而不仅仅是随机噪声。

结果：手册依然缺了一页

在分析了138 逆飞靶恩的数据后（这相当于观察了 138 万亿次质子碰撞），该团队一无所获。

• 观测结果：他们看到的“四τ"事件数量与标准模型的预测完全吻合。没有任何额外事件可以归咎于新的希格斯玻色子。
• 排除范围：由于没有看到信号，他们可以划定界限。他们说：“如果这些新粒子存在，它们的质量不能这么重，或者它们的相互作用强度不能是这样的。”

裁决：
该论文得出结论，这种特定版本的"X 型”理论无法解释μ子之谜。该理论本可以解释μ子磁矩的“允许”区域已被此次搜索完全排除。

一句话总结

1. 谜团：μ子的自旋方式与我们物理手册的预测略有不同。
2. 理论：也许有额外的希格斯玻色子（X 型模型）在帮助它们自旋。
3. 计划：通过虚拟 Z 玻色子对撞质子，看是否能产生一对这些额外的希格斯玻色子，随后它们衰变为四个τ粒子。
4. 结果：我们寻找了，但没有找到。
5. 结论：这种特定理论已宣告死亡。它无法解释μ子为何行为异常。寻找μ子反常真正原因的旅程必须在其他地方继续。

技术摘要

技术摘要：在 Type-X 双希格斯二重态模型中搜寻非共振产生额外希格斯玻色子

问题与动机
缪子磁矩（$g-2$）的联合测量目前显示出与缪子 $g-2$ 理论倡议提供的标准模型（SM）预测之间存在五倍标准差的差异。尽管不同理论计算之间存在张力，但该偏差仍是超出标准模型（BSM）物理的潜在指示。Type-X 双希格斯二重态模型（2HDM），亦称“轻子特异性”模型，通过引入额外的希格斯玻色子，这些玻色子对缪子磁矩贡献圈图修正，从而提供了一种可能的解释。

然而，在 Type-X 2HDM 中解决缪子 $g-2$ 反常所需的参数空间通常要求 $\tan\beta$ 取较大值（正常情形下 $\gtrsim 90$，反转情形下 $\gtrsim 120$）。在此区域，与夸克的耦合被抑制，使得传统的单希格斯玻色子产生模式（胶子融合和 $b$ 关联产生）可忽略不计。因此，现有的针对“类 MSSM"模型或单希格斯产生的 LHC 搜寻缺乏对该特定区域的灵敏度。此外，标准的双希格斯搜寻通常依赖于标记类标准模型希格斯玻色子（$H_{125}$）或针对不含 $\tau$ 轻子的末态，这与 Type-X 2HDM 不相容，因为在该模型中额外希格斯玻色子主要衰变为 $\tau$ 轻子对。

方法论
本分析呈现了对源自虚 $Z$ 玻色子（$Z^* \to \phi A$）的非共振产生的一对额外希格斯玻色子（$\phi$ 和 $A$）的搜寻，其中两个玻色子均 exclusively 衰变为 $\tau$ 轻子对（$Z^* \to \phi A \to \tau\tau\tau\tau$）。这种产生模式的优势在于其截面独立于 $\tan\beta$，而在高 $\tan\beta$ 下，衰变到 $\tau$ 轻子的分支比得到增强。

该搜寻利用了 CMS 探测器在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下收集的质子 - 质子碰撞数据，对应 2016–2018 年的积分亮度为 $138 \text{ fb}^{-1}$。分析重建了六个主要的 $\tau\tau\tau\tau$ 末态（$\tau_h\tau_h\tau_h\tau_h$、$e\tau_h\tau_h\tau_h$、$\mu\tau_h\tau_h\tau_h$、$e\mu\tau_h\tau_h$、$\mu\mu\tau_h\tau_h$ 和 $ee\tau_h\tau_h$），涵盖了约 87% 的总分支比，并增加了一个通道以处理因重建效率问题而丢失一个 $\tau_h$ 候选者的事例。

关键选择标准包括：

• 触发： 根据单电子、单缪子或 $\tau_h$ 对触发选择事例。
• 背景抑制： 否决含有 $b$ 喷注的事例以减少顶夸克对（$t\bar{t}$）背景。含轻轻子的通道按电荷（同号与异号）分类，以将信号与 $Z/\gamma^* \to \ell\ell$ 和 $t\bar{t}$ 等背景区分开。
• 鉴别变量： 总横向质量（$m_T^{tot}$）用作主要鉴别变量，定义为所有 $\tau$ 衰变对象对与缺失横向动量的横向质量的平方和。
• 背景建模： 主要背景（将喷注误识别为强子 $\tau$ 轻子，即 $\text{jet} \to \tau_h$）利用源自数据的机器学习增强型“假因子”（FF）方法进行估算。其他背景（如 $ZZ$、$t\bar{t}$、双玻色子）则使用归一化至 NLO 或 NNLO 精度理论截面的蒙特卡洛模拟进行建模。
• 统计分析： 使用 COMBINE 工具执行剖面扩展分箱似然拟合，将系统不确定性视为干扰参数。

主要贡献

• 新颖拓扑： 本工作通过针对独特的非共振 $Z^* \to \phi A \to 4\tau$ 拓扑，解决了实验覆盖范围中的关键空白，该拓扑此前未被多 $\tau$ 分析所针对。
• 产生的模型无关性： 通过利用独立于 $\tan\beta$ 的产生模式，该分析探测了 Type-X 2HDM 解释缪子 $g-2$ 反常的高 $\tan\beta$ 区域，这是单希格斯搜寻无法触及的区域。
• 全面的通道重建： 该分析结合了多个衰变通道，并采用先进的机器学习技术进行背景估算，以在宽质量范围内最大化灵敏度。

结果
数据中未观察到与标准模型背景预测的显著偏差。在 95% 置信水平（CL）下对产生截面与分支比的乘积（$\sigma \times \mathcal{B}$）设定了上限。

• 观测到的上限范围从 $190 \text{ fb}$（对应 $m_A = 40 \text{ GeV}, m_\phi = 60 \text{ GeV}$）到 $0.4 \text{ fb}$（对应 $m_A = 600 \text{ GeV}, m_\phi = 800 \text{ GeV}$）。
• 在固定 $m_\phi = 200 \text{ GeV}$ 的 $m_A$-$\tan\beta$ 平面以及 $m_A$-$m_\phi$ 平面中导出了排除轮廓。
• 该分析排除了 $m_A$-$m_\phi$ 平面中一个对角线区域，其宽度约为 $100 \text{ GeV}$，从最低搜索质量（$m_A=40 \text{ GeV}, m_\phi=60 \text{ GeV}$）延伸至 $m_A \approx m_\phi \approx 360 \text{ GeV}$。

意义与结论
该论文声称，将这些新结果与先前搜寻（特别是 $H/A \to \tau\tau$ 单希格斯搜寻）的约束相结合，排除了 Type-X 2HDM 对齐情形参数空间的大部分。至关重要的是，作者指出，容纳当前缪子反常磁矩测量值的正常和反转情形的允许区域（如参考文献 [9] 所述）完全包含在观测到的排除轮廓内（$\tan\beta > 15$）。因此，该搜寻在测试的质量范围内排除了 Type-X 2HDM 对齐情形作为缪子反常磁矩解释的可能性。结果表明，通过该机制解决 $g-2$ 张力所需的特定参数空间与当前 LHC 数据不相容。