[论文解读] 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 Keim+2960 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次对具有味破坏耦合的通用双 Higgs 二重态模型（g2HDM）开展对撞机搜索。研究聚焦于包含多个轻子和 b-夸克喷注的末态，采用深度神经网络与电荷分类方法以提升灵敏度，排除了质量为 mH = 200–620 GeV、耦合参数 ρtt = 0.4、ρtc = 0.2、ρtu = 0.2 的重希格斯玻色子在95%置信水平下的可能性。

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.

研究动机与目标

• 在无Z₂对称性的通用双 Higgs 二重态模型（g2HDM）框架下，搜索顶夸克 sector 中具有味破坏耦合的重希格斯玻色子。
• 探测通过味改变中性流过程产生的同电荷顶夸克对、三顶夸克及四顶夸克末态。
• 利用真实的LHC数据，为g2HDM框架中额外标量玻色子的质量与耦合参数设定排除限。
• 将结果解释为受味异常与(g−2)μ异常启发的R-奇偶性破坏超对称模型。
• 首次建立对三顶夸克产生过程及味破坏重希格斯耦合的对撞机约束。

提出的方法

• 事件根据轻子多重性、总轻子电荷以及多输出深度神经网络分类器进行分类，以提高信号纯度。
• 分析使用了LHC运行2期间收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 信号模型通过胶子融合过程在树图级别生成，并衰变为具有味破坏耦合的顶夸克末态。
• 来自t̄tW、t̄tZ和t̄t的背景通过蒙特卡罗模拟估算，并与数据进行归一化。
• 采用基准耦合集合（ρtt = 0.4，ρtc = ρtu = 0.2）以指导分析优化与灵敏度估计。
• 在包含higgsino与smuon直接电弱产生过程的R-奇偶性破坏SUSY模型中进行了额外解释，涉及λ′i33耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有顶夸克耦合的通用双 Higgs 二重态模型中，重希格斯玻色子的质量与味破坏耦合参数的排除限是多少？
• RQ2 ATLAS实验能否首次对新物理超出标准模型的三顶夸克末态设置对撞机限？
• RQ3 该搜索对具有轻子数破坏耦合λ′i33的R-奇偶性破坏超对称模型的敏感度如何？
• RQ4 该分析对通过味改变中性希格斯玻色子产生的同电荷顶夸克对与三顶夸克产生的灵敏度如何？
• RQ5 运动学特征与电荷不对称性如何提升新物理信号与标准模型背景之间的分离能力？

主要发现

• 基于观测数据，质量为 mH = 200–620 GeV、耦合参数 ρtt = 0.4、ρtc = 0.2、ρtu = 0.2 的重希格斯玻色子在95%置信水平下被排除。
• 预期排除限可扩展至 mH = 840 GeV（相同耦合基准），表明具有强灵敏度。
• 对于固定质量 400 GeV，ρtt = 0.3 与 ρtc = ρtu = 0.18 的耦合强度在95%置信水平下被排除。
• 首次对R-奇偶性破坏SUSY中wino或higgsino类中性子的直接电弱产生过程设置对撞机限，排除质量范围为200–585 GeV。
• 在专门模型中，首次对通过λ′i33耦合产生的smuon及其衰变过程设置限，排除质量范围为225–460 GeV。
• 该分析对三个耦合参数（ρtt、ρtc、ρtu）设置了二维排除限，为g2HDM参数空间提供了全面的约束图谱。