[논문 리뷰] 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 Keim외 2960명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 검출기로 13 TeV에서 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여 일반적인 두 힉스 두중체 모형(g2HDM)에서의 풍미 위반 쿠플링을 위한 최초의 콜라이더 탐색을 제시한다. 다수의 렙톤과 b-제트를 포함하는 최종 상태를 대상으로 하며, 깊은 신경망과 전하 기반 분류를 활용하여 감도를 향상시켰다. 결과적으로 mH = 200–620 GeV 범위의 무거운 힉스 보손과 ρtt = 0.4, ρtc = 0.2, ρtu = 0.2의 쿠플링은 95% 신뢰수준에서 배제되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 두 힉스 두중체 모형(g2HDM)에서 Z₂ 대칭성이 없는 상황에서 토프 쿼크 섹터 내의 풍미 위반 쿠플링을 가진 무거운 힉스 보손을 탐색하기 위해.
• 풍미 변화 중성 힉스 보손을 통한 동일 전하의 토프 쿼크 쌍, 삼토프, 사토프 최종 상태의 생성을 탐색하기 위해.
• 실제 LHC 데이터를 사용하여 g2HDM 프레임워크 내에서 추가 스칼라 보손의 질량과 쿠플링에 대한 배제 한계를 설정하기 위해.
• 풍미 비정상성과 (g−2)μ 비정상성에 기반한 R-대칭 위반 초대칭 모형에 대한 결과를 해석하기 위해.
• 삼토프 쿼크 생성과 풍미 위반 무거운 힉스 쿠플링에 대한 최초의 콜라이더 제약 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• 이벤트는 렙톤 다중도, 총 렙톤 전하 및 다중 출력 깊은 신경망 분류기로 분류되어 신호 순도를 향상시켰다.
• 분석은 LHC 런 2 동안 수집된 139 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하였다. (√s = 13 TeV)
• 신호 모델은 나무 수준의 글루온 융합를 통해 생성되며, 풍미 위반 쿠플링을 가진 토프 쿼크 최종 상태로 붕괴된다.
• t̄tW, t̄tZ, t̄t와 같은 배경는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정되며, 데이터에 정규화되었다.
• 분석 최적화와 감도 추정을 위한 기준 쿠플링 세트(ρtt = 0.4, ρtc = ρtu = 0.2)가 사용되었다.
• 추가로 R-대칭 위반 슈퍼대칭 모형에서 λ′i33 쿠플링을 고려한 해석이 수행되었으며, 힉시노 및 스무온의 직접 전기약력 생성도 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 두 힉스 두중체 모형에서 토프 쿼크 쿠플링을 가진 무거운 힉스 보손의 질량과 풍미 위반 쿠플링에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 ATLAS 실험은 표준모형을 초월한 새로운 물리에서 삼토프 쿼크 최종 상태에 대해 최초로 콜라이더 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ3 레프톤 수 위반 쿠플링 λ′i33를 가진 R-대칭 위반 초대칭 모형에 대해 탐색의 감도는 얼마나 되는가?
• RQ4 풍미 변화 중성 힉스 보손을 통한 동일 전하의 토프 쿼크 쌍 및 삼토프 쿼크 쌍 생성에 대해 분석의 감도는 어떻게 되는가?
• RQ5 운동량 및 전하 비대칭 특징은 표준모형 배경와 새로운 물리 신호를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 데이터를 바탕으로 mH = 200–620 GeV 사이의 무거운 힉스 보손과 ρtt = 0.4, ρtc = 0.2, ρtu = 0.2의 쿠플링은 95% 신뢰수준에서 배제되었다.
• 기대 배제 한계는 동일한 쿠플링 기준에서 mH = 840 GeV까지 연장되며, 강력한 감도를 보였다.
• 고정된 질량 400 GeV에서 ρtt = 0.3 및 ρtc = ρtu = 0.18 수준의 쿠플링 강도도 95% 신뢰수준에서 배제되었다.
• R-대칭 위반 슈퍼대칭에서 와이노 또는 힉시노 유사 중성보의 직접 전기약력 생성에 대해 최초로 콜라이더 제약 조건이 설정되었으며, 질량 200–585 GeV 범위가 배제되었다.
• 특정 모형에서 스무온 생성 및 붕괴에 대한 λ′i33 쿠플링에 의한 배제 한계는 질량 225–460 GeV 범위에서 설정되었으며, 이는 최초의 제약 조건이었다.
• 세 개의 쿠플링 매개변수(ρtt, ρtc, ρtu)에 대한 2차원 배제 한계가 설정되어 g2HDM 매개변수 공간에 대한 종합적인 제약 지도를 제공하였다.