[论文解读] Probing the $CP$ nature of the top-Higgs Yukawa coupling in $t\bar{t}H$ and $tH$ events with $H o b\bar{b}$ decays using the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用大型强子对撞机 Run 2 期间 ATLAS 实验收集的 139 fb⁻¹ 13 TeV 质子-质子碰撞数据，分析 t¯tH 和 tH 事例中 H → bb̄ 衰变过程，探究顶-希格斯玻色子 Yukawa 耦合的 CP 性质。通过多变量技术与 CP 敏感可观测量，测得 CP 混合角 𝛼 = 11°⁺⁵²°₋₇₃°，与标准模型预测的 𝛼 = 0° 一致，表明在当前精度水平下，顶-希格斯耦合 sector 中未发现新物理的证据。

ABSTRACT

The $CP$ properties of the coupling between the Higgs boson and the top quark are investigated with 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at the LHC at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV. The $CP$ structure of the top quark-Higgs boson Yukawa coupling is probed in events with a Higgs boson decaying into a pair of $b$-quarks and produced in association with either a pair of top quarks, $t\bar{t}H$, or a single top quark, $tH$. Events containing one or two electrons or muons are used for the measurement. In an extension of the Standard Model with a $CP$-odd admixture to the top-Higgs Yukawa coupling, the mixing angle between $CP$-even and $CP$-odd couplings is measured to be $\alpha=11\,^{\circ+52^{\circ}}_{ -73^{\circ}}$.

研究动机与目标

• 利用 t¯tH 和 tH 最终态中的直接产生过程，探究顶夸克-希格斯玻色子 Yukawa 耦合的 CP 结构。
• 检验顶-希格斯耦合中是否存在 CP 奇数成分的混合，这将标志标准模型之外的新物理。
• 通过分箱的轮廓似然拟合方法，同时测量 CP 混合角 𝛼 和耦合强度修正因子 𝜅′ₜ。
• 利用 H → bb̄ 衰变道与多变量技术，增强对 CP 违规效应的探测灵敏度。

提出的方法

• 使用大型强子对撞机 Run 2 期间 ATLAS 探测器收集的 139 fb⁻¹ 13 TeV pp 碰撞数据。
• 应用多变量分析技术，选择 t¯tH 和 tH 事例富集区域，重点关注包含一个或两个轻子（e/μ）的最终态。
• 定义 CP 敏感可观测量，以区分顶-希格斯耦合中 CP 偶数与 CP 奇数贡献。
• 执行分箱轮廓似然拟合，同时提取 𝜅′ₜ 和 CP 混合角 𝛼。
• 对信号与背景过程进行建模，并详细评估系统不确定性，包括探测器效应与喷流能量标度。
• 假设 H → bb̄ 分支比等于其标准模型值 58.2% ± 0.5%。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶-希格斯 Yukawa 耦合中 CP 偶数与 CP 奇数分量之间的 CP 混合角 𝛼 是多少？
• RQ2 是否存在顶-希格斯耦合中非零 CP 奇数分量的证据，表明存在标准模型之外的新物理？
• RQ3 t¯tH 与 tH 生产截面如何依赖于 CP 混合角 𝛼？
• RQ4 在多大程度上可利用 H → bb̄ 衰变道约束顶-希格斯耦合的 CP 结构？

主要发现

• 测得 CP 混合角为 𝛼 = 11°⁺⁵²°₋₇₃°，与标准模型预测的 𝛼 = 0° 一致。
• 𝛼 的测量值在 1σ 水平上与标准模型相容，未观察到显著偏离。
• 该分析对顶-希格斯 Yukawa 耦合中任何 CP 奇数混合成分施加了严格约束。
• tH 生产截面对非零 𝛼 高度敏感，在纯 CP 奇数情景下，其与 t¯tH 截面之比从标准模型的 0.06 上升至超过 1.2。
• 耦合强度修正因子 𝜅′ₜ 同样受到约束，尽管主要关注点在于 CP 结构。
• 在当前灵敏度水平下，未发现顶-希格斯耦合 sector 中存在 CP 违规的证据。