[論文レビュー] 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, Armen+2396 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeVのプロトン-プロトン衝突データ138 fb⁻¹を用いて、ttHおよびtH生成におけるトップ-ヒッグスYukawa結合におけるCP対称性の破れを探索する。多レプトン最終状態を対象とし、機械学習手法を用いてCP偶数とCP奇数の状況を区別した。標準模型の予測であるゼロのCP奇数寄与と整合的であり、組み合わせたH → ZZおよびH → γγの結果と併せた結果として、|fHttCP| = 0.28、68%信頼区間は|fHttCP| < 0.55となった。

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.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるttHおよびtH生成におけるトップ-ヒッグスYukawa結合のCP構造を調査すること。
• 標準模型の予測であるヒッグス-トップ結合が完全にCP偶数であるという仮定からのずれを検証すること。
• H → WWおよびH → ττ崩壊が豊富な多レプトン最終状態を用いて、CP奇数寄与に対する感度を向上させること。
• H → WW、ττ、ZZ、γγの複数のヒッグス崩壊モードの結果を統合し、CP奇数結合に対する制約を強化すること。

提案手法

• CMS実験が収集した、√s = 13 TeVのpp衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• 少なくとも2つのレプトンを含む最終状態を選別し、ヒッグスボソンはWWまたはττに崩壊し、トップクォークはWbに崩壊する。
• CP偶数とCP奇数の信号仮説の分離を高めるために機械学習アルゴリズムを採用する。
• CP偶数（κt）およびCP奇数（ẽκt）のYukawa結合修正係数の2次元信頼領域を構築する。
• H → WW、ττ、ZZ、γγの崩壊モードからの結果を統合して感度を向上させる。
• 頻度主義的統計的手法を用いて、CP奇数成分の割合|fHttCP|の上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ttHおよびtH生成におけるトップ-ヒッグスYukawa結合にCP対称性の破れの証拠はあるか？
• RQ2 トップ-ヒッグス結合におけるCP奇数成分の強度と符号は、どのように測定されたか？
• RQ3 多レプトン最終状態は、トップ-ヒッグス生成におけるCP奇数寄与に対する感度をどのように向上させるか？
• RQ4 複数のヒッグス崩壊モードからの結果を統合することで、CP奇数結合に対する制約はどの程度強化されるか？

主な発見

• 顕著なCP奇数寄与は観測されず、すべてのヒッグス崩壊モードを組み合わせた結果として、|fHttCP| = 0.28、68%信頼区間は|fHttCP| < 0.55となった。
• 多レプトンチャンネル単体での測定では、|fHttCP| = 0.59、68%信頼区間は(0.24, 0.81)であった。
• 組み合わせた結果は、標準模型の予測である完全にCP偶数のヒッグス-トップ結合（|fHttCP| = 0）と整合的である。
• H → WW、ττ、ZZ、γγの崩壊モードからのデータを統合することで、感度が向上した。
• 機械学習手法の適用により、CP偶数とCP奇数の信号シナリオの分離性能が顕著に向上した。
• 本結果は、トップ-ヒッグス相互作用のCP構造に対する厳密なテストを提供し、標準模型の枠組みを支持する。