[論文レビュー] Searches for lepton-flavour-violating decays of the Higgs boson into $e au$ and $\mu au$ in $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2971 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

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138 fb⁻¹を用いて、レプトンフレーバー違反のヒッグスボソン崩壊、特に電子–タウおよびミュオン–タウ最終状態への崩壊を直接探索するものである。2つのバックグラウンド推定手法（MCテンプレート法とSymmetry法）を用い、Br(H→eτ) < 0.20%およびBr(H→μτ) < 0.18%という、観測された95%信頼区間上限を、これまでで最も厳密に設定した。有意な信号は観測されなかった。

ABSTRACT

This paper presents direct searches for lepton flavour violation in Higgs boson decays, $H ightarrow eτ$ and $H ightarrowμτ$, performed using data collected with the ATLAS detector at the LHC. The searches are based on a data sample of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s} = 13$ TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Leptonic ($τ ightarrow \ell ν_\ell ν_τ$) and hadronic ($τ ightarrow $ hadrons $ ν_τ$) decays of the $τ$-lepton are considered. Two background estimation techniques are employed: the MC-template method, based on data-corrected simulation samples, and the Symmetry method, based on exploiting the symmetry between electrons and muons in the Standard Model backgrounds. No significant excess of events is observed and the results are interpreted as upper limits on lepton-flavour-violating branching ratios of the Higgs boson. The observed (expected) upper limits set on the branching ratios at 95% confidence level, $\mathcal{B}(H ightarrow eτ)&lt;0.20\%$ (0.12%) and $\mathcal{B}(H ightarrow μτ)&lt;0.18\%$ (0.09%), are obtained with the MC-template method from a simultaneous measurement of potential $H ightarrow eτ$ and $H ightarrowμτ$ signals. The best-fit branching ratio difference, $\mathcal{B}(H ightarrow μτ)- \mathcal{B}(H ightarrow eτ)$, measured with the Symmetry method in the channel where the $τ$-lepton decays to leptons, is (0.25 $\pm$ 0.10)%, compatible with a value of zero within 2.5$σ$.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンのレプトンフレーバー違反崩壊、特にH→eτおよびH→μτ最終状態への崩壊を探索し、標準模型を越える物理の兆候を検出すること。
• 高度な多次元解析およびデータ駆動型バックグラウンド推定技術を用いて、これらの希少崩壊への感度を向上させること。
• H→eτおよびH→μτのブランチング比の差が、ヒッグス粒子が異なるレプトンフレーバーとどのように結合するかに起因する可能性のある非対称性を調べること。
• Run 2 ATLASデータセットの全量を用いて、H→eτおよびH→μτのブランチング比に対する、これまでで最も厳しい実験的制限を設定すること。

提案手法

• CERNのLHCで取得された、√s = 13 TeVのpp衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• 2つの独立したバックグラウンド推定手法を採用：データ補正付きモンテカルロシミュレーションを用いるMCテンプレート法と、標準模型のバックグラウンドにおける電子–ミュオン対称性を利用するSymmetry法。
• ブーストされた意思決定木（BDT）およびディープニューラルネットワーク（DNN）を用いた多次元解析（MVA）を、ℓτℓ′およびℓτhad最終状態の両方で信号とバックグラウンドの分離を向上させるために適用する。
• 感度を最大化するために、タウ粒子のレプトン崩壊（τ→ℓνν̄）およびハドロン崩壊（τ→ハドロンν̄）の両方のモードを考慮する。
• 3つの統計的解析を実施：H→eτおよびH→μτの独立した探索、両信号の同時測定、Symmetry法を用いたブランチング比の差の測定。
• 制御領域とクロスバリデーション技術に基づくシステムティック不確実性の推定を実施。ニューラルネットワークのハイパーパramータ最適化にはOptunaを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンのeτおよびμτ最終状態への崩壊のブランチング比に対する、最も厳しい実験的制限は何か？
• RQ2 H→eτおよびH→μτの観測ブランチング比はどのように比較されるか？また、それらの結合定数に差がある証拠はあるか？
• RQ3 Symmetry法は、モンテカルロシミュレーションに依存せずに、ℓτℓ′最終状態のバックグラウンドを堅牢にデータ駆動型で推定できるか？
• RQ4 MCテンプレート法とSymmetry法の両方の結果を比較した場合、測定されたブランチング比の差にはどのような相違があるか？
• RQ5 多次元解析は、フレーバー違反結合を伴う希少ヒッグス崩壊に対して、どの程度の感度を示すか？

主な発見

• H→eτおよびH→μτの探索チャンネルの両方で、有意なイベント過剰は観測されず、標準模型の予測と整合的である。
• 観測された95%信頼区間上限は、Br(H→eτ) < 0.20%およびBr(H→μτ) < 0.18%であり、これまでで最も厳しい制限である。
• 予想される上限は、Br(H→eτ) < 0.12%およびBr(H→μτ) < 0.09%であり、以前のATLASおよびCMSの結果よりも感度が向上している。
• 測定されたブランチング比の差、B(H→μτ) − B(H→eτ) は (0.25 ± 0.10)%であり、2.5σの範囲内でゼロと一致しており、ヒッグス結合におけるフレーバー非対称性の証拠はない。
• MCテンプレート法とSymmetry法の結果は一致しており、非相関不確実性を考慮した場合、両手法の測定ブランチング比差の差は −0.22 ± 0.14%であった。
• 2つの手法間の整合性検定では、χ² p値が0.29であったため、2つのバックグラウンド推定手法の結果間に顕著な矛盾は認められなかった。