Improved analysis of non-resonant Higgs boson pair production in the $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ final state with $196$ fb$^{-1}$ of data collected at $\sqrt{s}$ = 13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector

技术摘要：改进的非共振希格斯玻色子对产生在 $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 末态中的分析

问题与动机
测量希格斯玻色子自耦合是粒子物理学的一个关键目标，因为它探测了希格斯势能的形状以及电弱对称性破缺的机制。虽然希格斯玻色子在 2012 年被发现，但其三线性自耦合（$\lambda_{HHH}$）仍受到较弱的约束。在大型强子对撞机（LHC）上获取该耦合最直接的方法是通过测量非共振希格斯玻色子对（$HH$）产生。$b\bar{b}\tau^+\tau^-$末态是此类搜索中最敏感的通道之一，在信号产额和纯度之间提供了理想的折衷。本文展示了对该末态中非共振$HH$ 产生的更新搜索，利用了 ATLAS 探测器收集的完整 Run 2 数据集和早期 Run 3 数据集。

方法论与分析策略
本分析利用了 $\sqrt{s}=13\,\text{TeV}$ 下的 $140\,\text{fb}^{-1}$ 质子-质子碰撞数据（Run 2, 2015–2018）以及 $\sqrt{s}=13.6\,\text{TeV}$ 下的 $56\,\text{fb}^{-1}$ 数据（Run 3, 2022–2023）。研究重点在于基于 $\tau$ 轻子衰变模式的两个衰变通道：$\tau_{\text{lep}}\tau_{\text{had}}$（一个轻子，一个强子）和 $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$（两个均为强子）。

与之前的 ATLAS 结果相比，关键的方法论改进包括：

1. 多元分析 (MVA)： 采用了一种新型的基于 Transformer 的架构进行事件分类和信号-背景判别。这取代了先前分析中使用的提升决策树（BDT）。该 Transformer 模型处理包括逐对象特征（喷注、$\tau$ 候选体、轻子、缺失横动量）和全局事件级特征在内的信息，以捕捉复杂的关联。该网络通过四个输出头进行训练：一个多分类器（区分背景、SM ggF、SM VBF 以及 $\kappa_\lambda=5$ 的 BSM ggF）、一个针对高质量区域（$m_{HH} > 350\,\text{GeV}$）的二分类器，以及两个用于顶夸克和希格斯玻色子亲源性识别的辅助任务。
2. 事件分类： 根据 Transformer 输出和重建的 $HH$不变质量（$m_{HH}$），将事件分配到三个互斥的信号区域（SR）：
   • SR VBF： 针对矢量玻色子融合拓扑结构（$S_{\text{cat}} < 0.1$）。
   • SR Hi： 针对通过主流触发器收集的高质量 ggF 事件（$m_{HH} > 350\,\text{GeV}$）。
   • SR Lo： 包含剩余事件，对异常 $\kappa_\lambda$ 值具有敏感性。
3. 对象重建与选择： 分析采用了最先进的基于 GN2 Transformer 的味标签算法进行 $b$-喷注识别。强子 $\tau$ 候选体使用循环神经网络（RNN）进行重建。使用缺失质量计算器（MMC）来重建 di-$\tau$ 不变质量，显著提高了质量分辨率。
4. 背景估计： 主要背景（$t\bar{t}$、$Z$+jets、双玻色子、单希格斯）通过经由数据驱动方法修正的蒙特卡洛模拟进行估计。具体而言，假 $\tau_{\text{had}}$ 背景（由误识别为 $\tau$ 的喷注引起）通过在专用控制区中使用数据驱动的假因子法进行估计。$t\bar{t}$ 背景归一化由专门的 $t\bar{t}$ 控制区进行约束。
5. 验证： 通过在相同的末态中使用相同的事件选择和 MVA 策略测量 $ZZ$和$ZH$ 产生过程来验证分析策略。

关键结果
分析得出了以下主要结果：

• 信号强度： 测得的 $HH$产生信号强度为$\mu_{HH} = 2.6^{+1.4}_{-1.0}$，其中不确定度包含了统计和系统误差成分。该结果在 1.65 个标准差内与标准模型（SM）预测（$\mu_{HH}=1$）一致。
• 显著性： 相对于仅背景假设，观测到的显著性为 2.6 个标准差，而预期显著性为 1.2 个标准差。
• 耦合约束： 假设所有其他希格斯耦合均符合标准模型，观测到的三线性自耦合修正因子 95% 置信水平（CL）区间为 $\kappa_\lambda \in [-3.4, 1.6] \cup [5.5, 10.1]$。预期区间为 $\kappa_\lambda \in [-1.7, 8.5]$。四线性耦合修正因子被约束为 $\kappa_{2V} \in [-0.2, 2.4]$（观测值）和 $[0.0, 2.1]$（预期值）。
• 上限： 观测到的信号强度 95% CL 上限为 $\mu_{HH} < 5.3$，相比之下，在仅背景假设下的预期极限为 2.4。
• 验证测量：
  • **$ZH$产生：** 在$ZH \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$通道中观察到证据，显著性为 3.5 个标准差（预期为 2.4），测得的信号强度为$\mu_{ZH} = 1.52^{+0.52}_{-0.48}$。
  • **$ZZ$产生：**$ZZ \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$过程的观测显著性为 1.8 个标准差（预期为 2.7），$\mu_{ZZ} = 0.64^{+0.39}_{-0.36}$。这两项测量均与标准模型预测一致。

意义与主张
本文声称，该分析在相同末态下相比之前的 ATLAS 搜索实现了显著的灵敏度提升，预期显著性提升范围为 15% 到 65%，具体取决于感兴趣的参数。作者将其归功于：

1. 纳入了 Run 3 数据集（$56\,\text{fb}^{-1}$ 在 13.6 TeV 下）。
2. 实施了基于 Transformer 的 MVA，提供了 15–20% 的灵敏度增益。
3. 味标签算法（GN2）的升级，增强了约 10% 的灵敏度。
4. 在 $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$ 通道中移除了电子剔除要求，带来了约 5% 的增益。
5. 改进了 Run 3 中的触发策略。

在 $b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 通道中观察到 $ZH$产生过程，且显著性超过 3 个标准差，这一结果被强调为在该特定末态中的首次观测，作为对分析方法论的有力验证。这些结果提供了迄今为止对$b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 通道中希格斯自耦合最严格的约束，为希格斯玻色子性质的全球图景做出了贡献。