[論文レビュー] Search for heavy Higgs bosons with flavour-violating couplings in multi-lepton plus $b$-jets final states in $pp$ collisions at 13 TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2960 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeV の pp 衝突データ 139 fb⁻¹ を用い、一般二ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）におけるフレーバー破れカップリングを有する初のコライダー探索を実施した。多レプトンおよび b ベイジングを含む最終状態を対象とし、深層ニューラルネットワークと電荷に基づくカテゴリゼーションを用いて感度を向上させ、95%信頼水準で mH = 200–620 GeV、ρtt = 0.4、ρtc = 0.2、ρtu = 0.2 の重いヒッグスボソンの存在を除外した。

ABSTRACT

A search for new heavy scalars with flavour-violating decays in final states with multiple leptons and $b$-tagged jets is presented. The results are interpreted in terms of a general two-Higgs-doublet model involving an additional scalar with couplings to the top-quark and the three up-type quarks ($ ho_{tt}$, $ ho_{tc}$, and $ ho_{tu}$). The targeted signals lead to final states with either a same-sign top-quark pair, three top-quarks, or four top-quarks. The search is based on a data sample of proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV recorded with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 139f b$^{-1}$. Events are categorised depending on the multiplicity of light charged leptons (electrons or muons), total lepton charge, and a deep-neural-network-based categorisation to enhance the purity of each of the signals. Masses of an additional scalar boson $m_{H}$ between $200-630$ GeV with couplings $ ho_{tt}=0.4$, $ ho_{tc}=0.2$, and $ ho_{tu}=0.2$ are excluded at 95% confidence level. Additional interpretations are provided in models of $R$-parity violating supersymmetry, motivated by the recent flavour and $(g-2)_\mu$ anomalies.

研究の動機と目的

• 一般二ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）において、Z₂対称性のないフレーバー破れカップリングを有するトップクォーク系における重いヒッグスボソンの探索。
• フレーバー変換中性荷電ボソンを介した同一スピントップクォーク対、三トップ、四トップ最終状態の生成をプローブ。
• 実際の LHC データを用いて、g2HDM フレームワーク内での追加スカラー粒子の質量およびカップリングに対する除外限界を設定。
• フレーバー異常および (g−2)μ 異常を動機とする、レプトン数破れカップリング λ′i33 を有する R-奇性破れ超対称性モデルへの解釈。
• 三トップクォーク生成およびフレーバー破れヒッグスカップリングに対する、初のコライダー制約を確立。

提案手法

• イベントはレプトン多重度、全レプトン電荷、およびマルチ出力深層ニューラルネットワーク分類器によりカテゴリに分けられ、信号純度が向上した。
• 解析には、LHC ラン2期中に取得された √s = 13 TeV のプロトン–プロトン衝突データ 139 fb⁻¹ を使用した。
• 信号モデルは、グルーオン融合による木レベル生成と、フレーバー破れカップリングを有するトップクォーク最終状態への崩壊をシミュレーションで再現した。
• t̄tW、t̄tZ、および t̄t のバックグラウンドはモンテカルロシミュレーションにより推定され、データに正規化された。
• 解析最適化と感度推定のため、ベンチマークカップリングセット（ρtt = 0.4、ρtc = ρtu = 0.2）が使用された。
• λ′i33 カップリングを有する R-奇性破れ SUSY モデルにおいて、追加の解釈が実施され、ウィノやヒッグジノの直接電弱生成およびスムーオン生成も含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般二ヒッグスダブルレットモデルにおけるトップクォークカップリングを有する重いヒッグスボソンの質量およびフレーバー破れカップリングに対する除外限界は何か？
• RQ2 ATLAS 実験は、標準模型を超える新しい物理からの三トップクォーク最終状態に対する、初のコライダー限界を設定できるか？
• RQ3 レプトン数破れカップリング λ′i33 を有する R-奇性破れ超対称性モデルに対する探索感度はどの程度か？
• RQ4 フレーバー変換中性ヒッグスボソンを介した同一スピントップクォーク対および三トップクォーク生成に対する感度はどの程度か？
• RQ5 運動量および電荷非対称性の特徴は、標準模型バックグラウンドからの新しい物理信号分離にどのように寄与するか？

主な発見

• 観測データに基づき、mH = 200–620 GeV、ρtt = 0.4、ρtc = 0.2、ρtu = 0.2 の重いヒッグスボソンは 95% 信頼水準で除外された。
• 予想される除外限界は、同じカップリングベンチマークにおいて mH = 840 GeV まで延びており、高い感度を示した。
• 400 GeV の固定質量に対して、ρtt = 0.3 および ρtc = ρtu = 0.18 のカップリング強度も 95% 信頼水準で除外された。
• R-奇性破れ超対称性モデルにおけるウィノまたはヒッグジノに類する中性粒子の直接電弱生成に対する、初のコライダー限界が設定され、質量 200–585 GeV の範囲が除外された。
• 専用モデルにおいて、スムーオン生成および崩壊が λ′i33 カップリングを介して、質量 225–460 GeV の範囲で除外された。これは、同種の限界として初のものである。
• 3つのカップリングパラメータ（ρtt、ρtc、ρtu）に対する2次元除外限界が設定され、g2HDM パラメータ空間に対する包括的制約マップが得られた。