[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究利用在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，搜索顶-希格斯 Yukawa 耦合中的 CP 破坏，重点关注 ttH 和 tH 产生过程中的多轻子末态。利用机器学习技术区分 CP 偶和 CP 奇情形，结合 H → ZZ 和 H → γγ 的先前结果，得到 |fHttCP| = 0.28，且 68% 置信区间的上限为 |fHttCP| < 0.55，与标准模型预测的零 CP 奇贡献一致。

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.

研究动机与目标

• 探究大型强子对撞机（LHC）上 ttH 和 tH 产生过程中顶-希格斯 Yukawa 耦合的 CP 结构。
• 检验是否存在偏离标准模型预测的、仅具有 CP 偶的希格斯-顶夸克相互作用。
• 通过富含 H → WW 和 H → ττ 衰变的多轻子末态提高对 CP 奇贡献的敏感度。
• 结合 H → WW、ττ、ZZ 和 γγ 衰变模式的结果，以增强对 CP 奇耦合的约束。

提出的方法

• 使用 CMS 实验在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 选择包含至少两个轻子的末态，其中希格斯玻色子衰变为 WW 或 ττ，顶夸克通过 Wb 衰变。
• 采用机器学习算法以增强 CP 偶与 CP 奇信号假设之间的分离能力。
• 在 CP 偶（κt）与 CP 奇（ẽκt） Yukawa 耦合修正因子上构建二维置信区域。
• 将 H → WW、ττ、ZZ 和 γγ 衰变模式的结果相结合，以提高敏感度。
• 采用频发学统计方法对 CP 奇分数 |fHttCP| 设定限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ttH 和 tH 产生过程中，顶-希格斯 Yukawa 耦合是否存在 CP 破坏的证据？
• RQ2 顶-希格斯耦合中 CP 奇分量的测量强度与符号为何？
• RQ3 多轻子末态如何提高对顶-希格斯产生中 CP 奇贡献的敏感度？
• RQ4 结合多个希格斯衰变模式的结果在多大程度上改善了对 CP 奇耦合的约束？

主要发现

• 未观测到显著的 CP 奇贡献；在结合所有希格斯衰变模式时，CP 奇分数被约束为 |fHttCP| = 0.28，且 68% 置信区间的上限为 |fHttCP| < 0.55。
• 仅在多轻子通道中，|fHttCP| 的测量值为 0.59，且 68% 置信区间的范围为 (0.24, 0.81)。
• 联合结果与标准模型预测的纯粹 CP 偶的希格斯-顶夸克耦合（|fHttCP| = 0）一致。
• 通过结合 H → WW、ττ、ZZ 和 γγ 衰变模式的数据，分析显著提高了敏感度。
• 机器学习技术的使用显著增强了 CP 偶与 CP 奇信号情景之间的分离能力。
• 结果对顶-希格斯相互作用的 CP 结构进行了严格检验，支持标准模型框架。