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

技术摘要：对 $H \to \tau\tau$ 衰变模式中 $tH$ 产量的搜索及其与其他搜索的结合

问题与动机
希格斯玻色子与顶夸克（$y_t$）的汤川耦合对于理解电弱真空的稳定性以及希格斯势能的形状至关重要。虽然在伴随顶-反顶对产生希格斯玻色子（$t\bar{t}H$）的过程已被观测到，但单顶夸克伴随希格斯玻色子（$tH$）的产生过程仍难以捉摸。$tH$过程对顶夸克汤川耦合的正负号具有独特的敏感性，这是由于希格斯耦合到顶夸克的图示与希格斯耦合到$W$玻色子的图示之间存在破坏性干涉。这使得$tH$成为探测潜在新物理（如耦合中存在的$CP$ 奇性混合）的敏感探针。此前 ATLAS 合作组在 $H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$ 以及多轻子末态中的搜索结果与标准模型（SM）相兼容，但显著性有限。本文旨在通过针对包含强子衰变 $\tau$-轻子（$\tau_{\text{had}}$）的末态，利用 $H \to \tau\tau$ 衰变模式来提高灵敏度，并将这些结果与之前的 ATLAS 测量进行结合。

方法论
本分析利用了 ATLAS 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 140 fb$^{-1}$ 的积分亮度（Run 2）。搜索重点在于 $tHq$和$tWH$产生模式，其中希格斯玻色子衰变为$\tau$-轻子对，且至少有一个$\tau$ 进行强子衰变。

• 事件选择： 根据末态拓扑结构定义了两个不同的通道：
  1. $2\ell + 1\tau_{\text{had}}$： 包含两个紧致轻轻子（电子或μ子）和一个紧致 $\tau_{\text{had}}$ 的事件。信号区（SR）要求两个轻轻子具有相同的电荷（SS），这显著抑制了可还原的背景。
  2. $1\ell + 2\tau_{\text{had}}$： 包含一个紧致轻轻子和两个电荷相反的紧致 $\tau_{\text{had}}$ 的事件。
  • 预筛选标准包括对轻子 $p_T$、隔离度以及至少存在两个喷注的要求，其中一个或两个被识别为 $b$-喷注。
• 重建：
  • 顶夸克： 使用领先的 $b$-喷注和轻轻子进行重建。来自顶夸克衰变的中微子根据与带电轻子的运动学相关性进行估计。
  • 希格斯玻色子： 使用缺失质量计算器（MMC）方法重建 $\tau\tau$ 系统质量，该方法利用可见的 $\tau$ 衰变产物以及归属于希格斯系统的缺失横动量。
• 多元分析： 为了提高信号与背景的比率，分别为每个通道训练了人工神经网络（NN）。NN 用于区分 $tH$信号事件与背景过程（主要由$t\bar{t}$、$t\bar{t}X$、$W/Z$+jets 以及双玻色子组成）。输入特征包括末态对象的运动学变量、旁观者喷注（$tHq$ 的特征）以及重建质量。
• 背景估计： 采用数据驱动的方法来估计误识别轻轻子和伪 $\tau_{\text{had}}$（被误认为 $\tau$ 的喷注）产生的背景。归一化因子（NF）是在富含特定背景类型的专用控制区（CR）中推导出的（例如，在不同 $p_T$ 组中的重味衰变、$\tau$ 伪造等），并应用于信号区。
• 统计结合： 将 $H \to \tau\tau$ 通道的测量结果与之前的 ATLAS 搜索（$H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$ 和多轻子通道）进行结合。结合过程考虑了相关的系统不确定度（实验与理论），并使用剖面似然拟合来提取信号强度（$\mu_{tH}$）。

主要贡献

• 新通道： 本工作展示了 ATLAS 首次在利用完整 Run 2 数据集的情况下，针对 $H \to \tau\tau$ 衰变模式及强子 $\tau$ 衰变的 $tH$ 产生过程进行的搜索。
• 改进的背景建模： 本分析实现了一种详细的数据驱动 $\tau_{\text{had}}$ 伪造和轻轻子误识别估计方法，利用多个控制区在不同的运动学机制下约束归一化因子。
• 综合结合： 本文进行了迄今为止最全面的 $tH$搜索结合，将新的$H \to \tau\tau$ 结果与之前的 ATLAS 测量（$H \to \gamma\gamma$、$H \to b\bar{b}$ 及多轻子末态）整合在一起。这包括更新了 $H \to b\bar{b}$ 分析，以修正伪轻子贡献。

结果

• 单通道（$H \to \tau\tau$）： 未观察到相对于预期背景的显著超额。测得的信号强度为 $\mu_{tH} = -0.9^{+4.4}_{-4.2}$。在 95% 置信水平（CL）下，给出的信号强度观测（预期）上限为标准模型预测的 8.6 (9.3) 倍。
• 结合测量： 将 $H \to \tau\tau$ 结果与之前的 ATLAS 搜索结合后，测得的信号强度为：
  $$\mu_{tH} = 3.3^{+1.7}_{-1.5} = 3.3 \pm 1.2 \text{ (统计)} \text{ }^{+1.1}_{-1.0} \text{ (系统)}$$
  这对应于 2.3 (0.8) 个标准差的观测（预期）显著性。
• 结合极限： 结合后的观测（预期）95% CL 信号强度上限为标准模型预测的 6.1 (2.7) 倍。
• 一致性： 测得的信号强度在 12% 的水平上与标准模型预测相容。当允许 $t\bar{t}H$ 信号强度浮动时，结果基本保持不变，证实了 $tH$测量对$t\bar{t}H$ 贡献的稳健性。

意义
本文声称，这一结合代表了**迄今为止对 $tH$产生过程最精确的测量**。通过将新的$H \to \tau\tau$ 通道与现有搜索相结合，该分析实现了比之前的 Run 2 结合或单独的 Run 3 测量显著提高的精度。该结果为 $tH$ 产生截面和顶夸克汤川耦合的正负号提供了迄今为止最强的约束，为 Run 3 及未来的精密测量奠定了基础。