[논문 리뷰] Probing the $CP$ nature of the top-Higgs Yukawa coupling in $t\bar{t}H$ and $tH$ events with $H o b\bar{b}$ decays using the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 실험에서 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 t¯tH 및 tH 사건에서 H → bb̄ 붕괴를 포함한 토프-힉스 요카다 상호작용의 CP 성질을 탐구한다. 다변량 기법과 CP 민감도를 갖춘 관측량을 사용하여, CP 혼합 각도 𝛼 = 11°⁺⁵²°₋₇₃°를 측정하였으며, 이는 표준모형 예측인 𝛼 = 0°와 일치한다. 이는 현재의 정밀도 수준에서 토프-힉스 부문에서 새로운 물리학의 증거가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

The $CP$ properties of the coupling between the Higgs boson and the top quark are investigated with 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at the LHC at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV. The $CP$ structure of the top quark-Higgs boson Yukawa coupling is probed in events with a Higgs boson decaying into a pair of $b$-quarks and produced in association with either a pair of top quarks, $t\bar{t}H$, or a single top quark, $tH$. Events containing one or two electrons or muons are used for the measurement. In an extension of the Standard Model with a $CP$-odd admixture to the top-Higgs Yukawa coupling, the mixing angle between $CP$-even and $CP$-odd couplings is measured to be $\alpha=11\,^{\circ+52^{\circ}}_{ -73^{\circ}}$.

연구 동기 및 목표

• 직접 생성된 t¯tH 및 tH 최종 상태에서 토프-쿼크-힉스 보손 요카다 상호작용의 CP 구조를 탐구하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는, 토프-힉스 상호작용에 존재하는 CP-홀드 성분의 존재 여부를 테스트하기 위해.
• 빈도수 기반의 최대우도 추정법을 사용하여, 동시에 𝜅′ₜ와 CP 혼합 각도 𝛼를 측정하기 위해.
• H → bb̄ 붕괴 채널과 다변량 기법을 활용하여, CP 위반 효과에 대한 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터를 사용한다.
• t¯tH 및 tH 성분이 강화된 영역을 선택하기 위해 다변량 분석 기법을 적용하며, 주로 한 개 또는 두 개의 렙톤(e/μ)을 포함한 최종 상태에 집중한다.
• 토프-힉스 상호작용에서 CP-짝성과 CP-홀드 기여를 구분하기 위해 CP 민감도 관측량을 정의한다.
• 빈도수 기반의 최대우도 추정법을 수행하여, 동시에 𝜅′ₜ와 CP 혼합 각도 𝛼를 추출한다.
• 신호 및 배경 과정을 상세한 시스템적 불확실도 평가와 함께 모델링하며, 검출기 효과 및 제트 에너지 스케일을 포함한다.
• H → bb̄ 분해비가 표준모형의 58.2% ± 0.5%와 동일하다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토프-힉스 요카다 상호작용에서 CP-짝성 및 CP-홀드 성분 간의 CP 혼합 각도 𝛼는 무엇인가?
• RQ2 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는, 토프-힉스 상호작용에 비제로인 CP-홀드 성분이 존재하는가?
• RQ3 t¯tH 및 tH 생성 단면적은 CP 혼합 각도 𝛼에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 H → bb̄ 붕괴를 통해 토프-힉스 상호작용의 CP 구조는 어느 정도까지 제약을 받을 수 있는가?

주요 결과

• CP 혼합 각도는 𝛼 = 11°⁺⁵²°₋₇₃°로 측정되었으며, 표준모형 예측인 𝛼 = 0°와 일치한다.
• 측정된 𝛼 값은 1σ 수준에서 표준모형과 호환되며, 뚜렷한 편차는 관측되지 않았다.
• 이 분석은 토프-힉스 요카다 상호작용에 존재하는 잠재적 CP-홀드 혼합 성분에 대해 엄격한 제약 조건을 설정하였다.
• tH 생성 단면적은 비제로 𝛼에 매우 민감하며, 순수 CP-홀드 시나리오에서는 t¯tH 단면적 대비 비율이 표준모형의 0.06에서 1.2 이상으로 증가한다.
• 커플링 강도 수정 계수 𝜅′ₜ 역시 제약 조건이 설정되었지만, 주요 초점은 CP 구조에 맞춰져 있다.
• 현재의 감도 수준에서 토프-힉스 부문에서 CP 위반이 관측되지 않았다.