[논문 리뷰] 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 Keim외 2943명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 13 TeV에서 수집한 139 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여, 토프 쿼크와 업형 쿼크(예: c, u) 사이의 맛 변화가 있는 중성미자 힉스 보존 상호작용(tqH)을 탐색한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, t→cH 및 t→uH의 분해비에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선 4.3×10⁻⁴ 및 3.8×10⁻⁴을 설정하여, H→γγ 붕괴 채널에서 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.

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 $4.0 imes 10^{-4}\ (2.4 imes 10^{-4})$

연구 동기 및 목표

• t→qH 붕괴를 통해 토프 쿼크, 힉스 보존, 업형 쿼크(q = c, u) 사이의 맛 변화가 있는 중성미자 전류(FCNC) 상호작용을 탐색하고, pp→tH 생성 과정을 분석한다.
• 표준모형에서는 이러한 FCNC 과정가 매우 억제되지만 새로운 물리 모형에서는 증폭될 수 있으므로, 표준모형을 초월한 물리학을 탐색한다.
• 두 개의 광자(H→γγ)로 붕괴하는 힉스 보존을 분석하여, 깔끔하고 정밀하게 측정된 최종 상태를 활용해 감도를 향상시킨다.
• H→γγ 채널을 사용하여 t→cH 및 t→uH 분해비에 대해 가장 엄격한 상한선을 설정하고, 새로운 물리 현상 탐색에 기여한다.

제안 방법

• LHC의 ATLAS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 활용한다.
• 캘리브레이션 및 식별된 물체를 사용하여 광자, 렙톤, 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량의 이벤트 재구성 및 선택 기준을 적용한다.
• 감도를 향상시키기 위해 두 가지 독립적인 분석 선택지인 하드론성(t→qH, H→γγ) 및 렙톤성(t→qH, H→γγ)을 구현한다.
• 시스템적 불확실성(검출기 효과 및 시뮬레이션)을 포함하여 신호 모델 파rameter의 상한선을 설정하기 위해 신뢰도 기반 통계 방법을 사용한다.
• SMEFT 프레임워크를 활용하여 결과를 윌슨 계수 및 효과적 상호작용으로 해석하고, 분해비를 관측 가능한 상호작용으로 연결한다.
• H→τ⁺τ⁻ 및 H→b¯b 최종 상태에서 이전 ATLAS 탐색 결과와 조합하여 전체 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H→γγ 붕괴 채널에서 t→cH 및 t→uH 분해비에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ2 신호가 없을 경우 기대되는 상한선와 비교하여 관측된 상한선는 어떻게 되며, 어떤 편차의 의미가 있는가?
• RQ3 H→γγ, H→τ⁺τ⁻, H→b¯b 다수의 힉스 붕괴 모드를 통합한 ATLAS 탐색의 감도는 t→cH 및 t→uH 상호작용에 대해 어떻게 되는가?
• RQ4 특히 맛 위반이 증폭된 시나리오에서, t→qH 상호작용을 포함한 효과적 장 이론 모형은 어떻게 제약을 받는가?
• RQ5 pp→tH 생성 과정을 포함함으로써 t→qH FCNC 상호작용 탐색의 감도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• H→γγ 최종 상태에서 유의미한 초과가 관측되지 않아, t→cH 분해비에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선 4.3×10⁻⁴을 도출하였다.
• t→uH 분해비에 대한 관측 상한선은 3.8×10⁻⁴이며, 기대 상한선은 각각 4.7×10⁻⁴ 및 3.9×10⁻⁴이다.
• H→τ⁺τ⁻ 및 H→b¯b 최종 상태에서의 이전 ATLAS 탐색 결과와 조합하면, t→cH에 대해 관측(기대) 상한선 5.8×10⁻⁴(3.0×10⁻⁴)을 얻었다.
• t→uH에 대해 관측(기대) 상한선는 4.0×10⁻⁴(2.4×10⁻⁴)이며, 감도 향상에 있어 뚜렷한 기여를 하였다.
• 이 결과는 H→γγ 붕괴 채널에서 현재까지 t→qH FCNC 상호작용에 대해 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.
• 다중 채널 조합의 효과를 입증하여 희귀한 토프 쿼크 붕괴 및 새로운 물리 현상 탐색에 대한 감도 향상을 보여주었다.