[논문 리뷰] Search for $CP$ violation in $\mathrm{t\bar{t}H}$ and $tH$ production in multilepton channels in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2396명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 ttH 및 tH 생성에서 힉스-톱 요크하인 상호작용의 CP 위반을 탐색한다. 다중 렙톤 최종 상태를 중심으로 하며, 기계학습 기법을 통해 CP-짝등 및 CP-홀드 시나리오를 구분한다. 이전의 H → ZZ 및 H → γγ 결과와 조합했을 때, |fHttCP| = 0.28이며 68% 신뢰구간은 |fHttCP| < 0.55로 도출되었으며, 이는 표준모형 예측인 영일 확률에 일치한다.

ABSTRACT

The charge-parity ($CP$) structure of the Yukawa interaction between the Higgs (H) boson and the top quark is measured in a data sample enriched in the $\mathrm{t\bar{t}}$ and tH associated production, using 138 fb$^{-1}$ of data collected in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ =13 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC. The study targets events where the H boson decays via H$ o$WW or H$ o$$ au au$ and the top quarks decay via t$ o$Wb: the W bosons decay either leptonically or hadronically, and final states characterized by the presence of at least two leptons are studied. Machine learning techniques are applied to these final states to enhance the separation of $CP$-even from $CP$-odd scenarios. Two-dimensional confidence regions are set on $\kappa_\mathrm{t}$ and $ ilde{\kappa}_\mathrm{t}$, which are respectively defined as the $CP$-even and $CP$-odd top-Higgs Yukawa coupling modifiers. No significant fractional $CP$-odd contributions, parameterized by the quantity $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert$ are observed; the parameter is determined to be $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert$ = 0.59 with an interval of (0.24, 0.81) at 68% confidence level. The results are combined with previous results covering the H$ o$ZZ and H$ o$$\gamma\gamma$ decay modes, yielding two- and one-dimensional confidence regions on $\kappa_\mathrm{t}$ and $ ilde{\kappa}_\mathrm{t}$, while $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert$ is determined to be $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert$ = 0.28 with an interval of $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert\lt$ 0.55 at 68% confidence level, in agreement with the standard model $CP$-even prediction of $\lvert{f_{CP}^{\mathrm{Htt}}} vert$=0.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 ttH 및 tH 생성에서 힉스-톱 요크하인 상호작용의 CP 구조를 탐색하기 위해.
• 순수하게 CP-짝등인 힉스-톱 상호작용을 예측하는 표준모형에서의 이탈 여부를 시험하기 위해.
• H → WW 및 H → ττ 붕괴가 풍부한 다중 렙톤 최종 상태를 통해 CP-홀드 기여의 감도를 향상시키기 위해.
• H → WW, ττ, ZZ, γγ 붕괴 모드의 결과를 조합하여 CP-홀드 기여에 대한 제약 조건을 강화하기 위해.

제안 방법

• CMS 실험에서 수집한 √s = 13 TeV에서 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 최소 두 개의 렙톤을 포함하는 최종 상태를 선택하며, 힉스 보손은 WW 또는 ττ로 붕괴하고, 토프 쿼크는 Wb를 통해 붕괴한다.
• CP-짝등 및 CP-홀드 신호 가설 간의 분리 능력을 향상시키기 위해 기계학습 알고리즘을 활용한다.
• CP-짝등(κt) 및 CP-홀드(ẽκt) 요크하인 상호작용 수정 계수에 대한 이중 차원 신뢰 영역을 구축한다.
• H → WW, ττ, ZZ 및 γγ 붕괴 모드의 결과를 조합하여 감도를 향상시킨다.
• 빈도주의 통계 방법을 사용하여 CP-홀드 분율 |fHttCP|의 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ttH 및 tH 생성에서 힉스-톱 요크하인 상호작용의 CP 위반에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 히iggs-톱 결합에서 CP-홀드 성분의 강도와 부호는 무엇인가?
• RQ3 다중 렙톤 최종 상태는 힉스-톱 생성에서 CP-홀드 기여에 대한 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 다양한 힉스 붕괴 모드의 결과를 통합함으로써 CP-홀드 기여에 대한 제약 조건은 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• 유의미한 CP-홀드 기여는 관측되지 않았으며, 모든 힉스 붕괴 모드를 조합했을 때 |fHttCP| = 0.28이며 68% 신뢰구간은 |fHttCP| < 0.55로 제약된다.
• 다중 렙톤 채널에서만 별도로 분석한 결과, |fHttCP|는 0.59이며 68% 신뢰구간은 (0.24, 0.81)로 측정되었다.
• 조합된 결과는 순수하게 CP-짝등인 힉스-톱 상호작용을 예측하는 표준모형과 일치한다 (|fHttCP| = 0).
• H → WW, ττ, ZZ 및 γγ 붕괴 모드의 데이터를 조합함으로써 감도가 향상되었다.
• 기계학습 기법의 사용은 CP-짝등 및 CP-홀드 신호 시나리오 간의 분리 능력을 크게 향상시켰다.
• 결과는 표준모형 프레임워크를 지지하는 바이며, 힉스-톱 상호작용의 CP 구조에 대한 엄격한 시험을 제공한다.