[논문 리뷰] 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 Keim외 2971명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 13 TeV에서 수집한 138 fb⁻¹의 proton–proton 충돌 데이터를 사용하여 ATLAS 검출기로 전자–타우 및 뮤온–타우 최종 상태로의 렙톤-플레버 위반 힉스 보존 붕괴에 대한 직접 탐색을 제시한다. MC-템플릿 및 대칭성 방법을 활용한 배경 추정 두 가지 방법을 사용하여, 분해율에 대한 관측된 95% 신뢰수준 상한선를 가장 엄격하게 설정하였다: B(H→eτ) < 0.20% 및 B(H→μτ) < 0.18%, 신호는 유의미하게 관측되지 않았다.

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$σ$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 물리학의 서명인 렙톤-플레버 위반 힉스 보존 붕괴 H→eτ 및 H→μτ 최종 상태를 탐색하기 위함.
• 고도화된 다변량 분석 및 데이터 기반 배경 추정 기법을 활용하여 이러한 희귀 붕괴에 대한 감도를 향상시키기 위함.
• H→eτ 및 H→μτ 간의 분해율 차이가 일치하는지 확인하여 힉스 보존이 서로 다른 렙톤 플레버와 상호작용할 때 잠재적인 비대칭성을 탐색하기 위함.
• 전체 Run 2 ATLAS 데이터셋을 사용하여 H→eτ 및 H→μτ의 분해율에 대한 가장 엄격한 실험적 상한선를 설정하기 위함.

제안 방법

• LHC에서 ATLAS 검출기로 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 독립적인 두 가지 배경 추정 기법을 적용: 데이터 보정이 된 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하는 MC-템플릿 방법과 표준모형 배경에서 전자–뮤온 대칭성을 활용하는 대칭성 방법.
• 강화된 결정수 나무(BDT) 및 딥 신경망(DNN)을 사용한 다변량 분석(MVA)을 적용하여 ℓτℓ′ 및 ℓτhad 최종 상태에서 신호-배경 분리 성능을 향상시킨다.
• 감도를 극대화하기 위해 타우 붕괴의 렙톤(τ→ℓνν̄) 및 하드론(τ→하드론 ν̄) 방식을 모두 고려한다.
• 세 가지 통계 분석을 수행: H→eτ 및 H→μτ 각각에 대한 독립적 탐색, 양자리 신호의 동시 측정, 대칭성 방법을 사용한 분해율 차이 측정.
• 제어 영역 및 교차 검증 기법을 활용한 체계적 불확실도 추정을 수행하며, 신경망의 하이퍼파rameter 최적화에는 Optuna를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H→eτ 및 H→μτ 최종 상태로의 힉스 보존 붕괴 분해율에 대한 가장 엄격한 실험적 상한선는 무엇인가?
• RQ2 관측된 H→eτ 및 H→μτ 분해율은 어떻게 비교되며, 이들의 결합 상수에 차이가 있는지에 대한 증거는 있는가?
• RQ3 대칭성 방법은 몬테카를로 시뮬레이션에 의존하지 않고 ℓτℓ′ 최종 상태의 배경을 신뢰할 수 있는 데이터 기반으로 추정할 수 있는가?
• RQ4 MC-템플릿 방법과 대칭성 방법 간의 측정된 분해율 차이 결과는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다변량 분석의 감도는 렙톤 플레버 위반 결합을 포함한 희귀 힉스 붕괴에 대해 어떻게 되는가?

주요 결과

• H→eτ 및 H→μτ 탐색 채널에서 어느 한 쪽에서도 유의미한 사건 초과는 관측되지 않았으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• 관측된 95% 신뢰수준 상한선는 각각 B(H→eτ) < 0.20% 및 B(H→μτ) < 0.18%이며, 이는 현재까지 가장 엄격한 제약 조건이다.
• 기대 상한선는 각각 B(H→eτ) < 0.12% 및 B(H→μτ) < 0.09%이며, 이는 이전 ATLAS 및 CMS 결과보다 감도가 향상되었음을 보여준다.
• 측정된 분해율 차이 B(H→μτ) − B(H→eτ)는 (0.25 ± 0.10)%이며, 2.5σ 이내로 0과 일치하여 힉스 보존의 렙톤 플레버 간 결합 비대칭성에 대한 증거가 없다는 것을 시사한다.
• MC-템플릿 방법과 대칭성 방법의 결과는 일치하며, 상호 비상관 불확실성을 고려할 때 측정된 분해율 차이의 차이는 −0.22 ± 0.14%이다.
• 두 방법 간의 일치성 검정 결과 χ² p-value는 0.29로, 두 배경 추정 기법 간에 유의미한 괴리가 없다는 것을 나타낸다.