[论文解读] Search for flavor-changing neutral $tqH$ interactions with $H ightarrow \gamma\gamma$ in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2943 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机上ATLAS探测器采集的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV），搜索了顶夸克与上型夸克（tqH）之间味改变的中性流Higgs相互作用。未观测到显著过量，因此在H→γγ衰变道中，t→cH和t→uH分支比的95%置信水平上限分别为4.3×10⁻⁴和3.8×10⁻⁴，这是目前该衰变道中最严格的约束结果。

ABSTRACT

A search for flavour-changing neutral interactions involving the top quark, the Higgs boson and an up-type quark $q$ ($q = c, u$) is presented. The proton-proton collision data set used, with an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$, was collected at $\sqrt{s} = 13$TeV by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Both the decay process $t o qH$ and the production process $pp o tH$, with the Higgs boson decaying into two photons, are investigated. No significant excess is observed and upper limits are set on the $t ightarrow cH$ and the $t ightarrow uH$ branching ratios of $4.3 imes 10^{-4}$ and $3.8 imes 10^{-4}$, respectively, at the 95% confidence level, while the expected limits in the absence of signal are $4.7 imes 10^{-4}$ and $3.9 imes 10^{-4}$. Combining this search with ATLAS searches in the $H o τ^+τ^-$ and $H o b\bar{b}$ final states yields observed (expected) upper limits on the $t o cH$ branching ratio of $5.8 imes 10^{-4}\ (3.0 imes 10^{-4})$ at the 95% confidence level. The corresponding observed (expected) upper limit on the $t ightarrow uH$ branching ratio is $4.0 imes 10^{-4}\ (2.4 imes 10^{-4})$

研究动机与目标

• 通过t→qH衰变和pp→tH过程，搜索顶夸克、Higgs玻色子与上型夸克（q = c, u）之间的味改变中性流（FCNC）相互作用。
• 探索标准模型之外的物理学，因为此类FCNC过程在标准模型中高度抑制，但在新物理模型中可能被增强。
• 通过分析Higgs玻色子衰变为两个光子（H→γγ）这一干净且精确测量的末态，提高探测灵敏度。
• 利用H→γγ通道，为t→cH和t→uH分支比设定最严格的上限，推动对新物理的全局搜索。

提出的方法

• 利用大型强子对撞机ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据。
• 通过校准和识别的粒子对象，对光子、轻子、喷注和缺失横向动量进行事件重建与选择。
• 实施两种独立的分析选择：强子道（t→qH且H→γγ）和轻子道（t→qH且H→γγ），以增强灵敏度。
• 采用基于似然的统计方法，结合探测器效应和模拟带来的系统不确定性，为信号模型参数设定上限。
• 采用SMEFT框架，将结果解释为威尔逊系数和有效耦合的形式，将分支比与可观测耦合关联起来。
• 将本研究结果与ATLAS先前在H→τ⁺τ⁻和H→b¯b末态中的搜索结果相结合，以提高整体灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在H→γγ衰变道中，顶夸克衰变t→cH和t→uH的分支比上限是多少？
• RQ2 观测到的上限与无信号时的预期上限相比如何？是否存在任何显著偏差？
• RQ3 ATLAS在多个Higgs衰变末态（H→γγ、H→τ⁺τ⁻、H→b¯b）中对t→cH和t→uH耦合的联合探测灵敏度如何？
• RQ4 这些结果如何约束具有增强味破坏的t→qH耦合的有效场论模型？
• RQ5 包含pp→tH产生过程对t→qH FCNC相互作用探测灵敏度有何影响？

主要发现

• 在H→γγ末态中未观测到显著过量，因此t→cH分支比的95%置信水平上限为4.3×10⁻⁴。
• t→uH分支比的观测上限为3.8×10⁻⁴，预期上限分别为4.7×10⁻⁴和3.9×10⁻⁴。
• 与ATLAS在H→τ⁺τ⁻和H→b¯b末态中的搜索结果结合后，t→cH的观测（预期）上限为5.8×10⁻⁴（3.0×10⁻⁴）。
• t→uH的联合观测（预期）上限为4.0×10⁻⁴（2.4×10⁻⁴），灵敏度显著提升。
• 本结果为H→γγ衰变道中t→qH FCNC耦合提供了迄今为止最严格的约束。
• 该分析展示了多通道联合分析在增强对稀有顶夸克衰变和新物理探测灵敏度方面的强大能力。