[論文レビュー] Search for flavor-changing neutral $tqH$ interactions with $H ightarrow \gamma\gamma$ in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2943 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用い、トップクォークとアップ型クォーク（tqH）を含むフレーバー変換型中性Higgs相互作用の探索を実施する。有意な過剰は観測されず、H→γγ崩壊チャンネルにおいて、t→cHおよびt→uHのブランチング比に対する95%信頼水準の上限は、それぞれ4.3×10⁻⁴および3.8×10⁻⁴に設定され、これまでで最も厳密な制約が得られた。

ABSTRACT

A search for flavour-changing neutral interactions involving the top quark, the Higgs boson and an up-type quark $q$ ($q = c, u$) is presented. The proton-proton collision data set used, with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$, was collected at $\sqrt{s} = 13$TeV by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Both the decay process $t o qH$ and the production process $pp o tH$, with the Higgs boson decaying into two photons, are investigated. No significant excess is observed and upper limits are set on the $t ightarrow cH$ and the $t ightarrow uH$ branching ratios of $4.3 imes 10^{-4}$ and $3.8 imes 10^{-4}$, respectively, at the 95% confidence level, while the expected limits in the absence of signal are $4.7 imes 10^{-4}$ and $3.9 imes 10^{-4}$. Combining this search with ATLAS searches in the $H o τ^+τ^-$ and $H o b\bar{b}$ final states yields observed (expected) upper limits on the $t o cH$ branching ratio of $5.8 imes 10^{-4}\ (3.0 imes 10^{-4})$ at the 95% confidence level. The corresponding observed (expected) upper limit on the $t ightarrow uH$ branching ratio is $4.0 imes 10^{-4}\ (2.4 imes 10^{-4})$

研究の動機と目的

• トップクォーク、Higgsボソン、アップ型クォーク（q = c, u）間のフレーバー変換型中性現在（FCNC）相互作用を、t→qH崩壊およびpp→tH生成を通じて探索すること。
• このようなFCNC過程は標準模型（SM）では極めて抑制されているが、新物理モデルでは強化される可能性があるため、標準模型を越える物理学を探るため。
• Higgsボソンが2つの光子に崩壊する（H→γγ）チャンネルを用いることで、クリアで正確に測定可能な最終状態を得て感度を向上させること。
• H→γγチャンネルを用いて、t→cHおよびt→uHのブランチング比に対する最も厳密な上限を設定し、新物理探索に貢献すること。

提案手法

• CERNのLHCでATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いる。
• 校正済みで識別された対象を用いて、光子、レプトン、ジェット、欠落運動量のイベント再構築と選別を実施する。
• 感度を向上させるために、2つの独立した解析選別（ハドロン的：t→qHでH→γγ、レプトン的：t→qHでH→γγ）を採用する。
• 系統的不確実性（検出器効果およびシミュレーション由来）を組み込んだ、尤度に基づく統計的手法を用いて、信号モデルのパrameterに対する上限を設定する。
• SMEFTフレームワークを用いて、結果をウィルソン係数および有効結合に解釈し、ブランチング比と観測可能な結合を関連付ける。
• H→τ⁺τ⁻およびH→b¯b最終状態での以前のATLAS探索結果と組み合わせることで、全体の感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H→γγ崩壊チャンネルにおけるトップクォーク崩壊t→cHおよびt→uHのブランチング比に対する上限は何か？
• RQ2 信号が存在しない場合の期待される上限と観測された上限を比較すると、どの程度のずれが生じるか、その有意性は何か？
• RQ3 H→γγ、H→τ⁺τ⁻、H→b¯bの複数のHiggs崩壊モードを組み合わせたATLAS探索の感度は、t→cHおよびt→uH結合に対してどの程度か？
• RQ4 特にフレーバー破れが強化された状況を想定した場合、t→qH結合を有する有効場理論モデルは、結果によってどの程度制約を受けるか？
• RQ5 pp→tH生成過程を含めることで、t→qH FCNC相互作用の感度にどのような影響があるか？

主な発見

• H→γγ最終状態では有意な過剰が観測されず、t→cHのブランチング比に対する95%信頼水準の上限は4.3×10⁻⁴に設定された。
• t→uHの観測上限は3.8×10⁻⁴であり、期待される上限はそれぞれ4.7×10⁻⁴および3.9×10⁻⁴であった。
• H→τ⁺τ⁻およびH→b¯b最終状態でのATLAS探索結果と組み合わせることで、t→cHの観測（期待）上限は5.8×10⁻⁴（3.0×10⁻⁴）に達した。
• t→uHの組み合わせた観測（期待）上限は4.0×10⁻⁴（2.4×10⁻⁴）であり、感度が顕著に向上した。
• 本結果は、H→γγ崩壊チャンネルにおけるt→qH FCNC結合に対して、これまでで最も厳しい制約を示している。
• 本分析は、複数チャンネルの組み合わせが、希少なトップクォーク崩壊および新物理探索の感度を向上させる力強さを示している。