[论文解读] Searches for lepton-flavour-violating decays of the Higgs boson into $e au$ and $\mu au$ in $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2971 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

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138 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV），对希格斯玻色子衰变至电子-τ和μ子-τ末态的轻子味违反过程进行了直接搜寻。采用两种背景估计方法——MC模板法与对称性法（Symmetry），研究设定了迄今为止最严格的观测95%置信水平上限：B(H→eτ) < 0.20% 和 B(H→μτ) < 0.18%，未观测到显著信号。

ABSTRACT

This paper presents direct searches for lepton flavour violation in Higgs boson decays, $H ightarrow eτ$ and $H ightarrowμτ$, performed using data collected with the ATLAS detector at the LHC. The searches are based on a data sample of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s} = 13$ TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Leptonic ($τ ightarrow \ell ν_\ell ν_τ$) and hadronic ($τ ightarrow $ hadrons $ ν_τ$) decays of the $τ$-lepton are considered. Two background estimation techniques are employed: the MC-template method, based on data-corrected simulation samples, and the Symmetry method, based on exploiting the symmetry between electrons and muons in the Standard Model backgrounds. No significant excess of events is observed and the results are interpreted as upper limits on lepton-flavour-violating branching ratios of the Higgs boson. The observed (expected) upper limits set on the branching ratios at 95% confidence level, $\mathcal{B}(H ightarrow eτ)&lt;0.20\%$ (0.12%) and $\mathcal{B}(H ightarrow μτ)&lt;0.18\%$ (0.09%), are obtained with the MC-template method from a simultaneous measurement of potential $H ightarrow eτ$ and $H ightarrowμτ$ signals. The best-fit branching ratio difference, $\mathcal{B}(H ightarrow μτ)- \mathcal{B}(H ightarrow eτ)$, measured with the Symmetry method in the channel where the $τ$-lepton decays to leptons, is (0.25 $\pm$ 0.10)%, compatible with a value of zero within 2.5$σ$.

研究动机与目标

• 搜寻希格斯玻色子衰变至H→eτ和H→μτ末态的轻子味违反过程，此类过程是标准模型之外新物理的信号。
• 通过采用先进的多变量分析与数据驱动的背景估计技术，提升对这些稀有衰变的探测灵敏度。
• 检验H→eτ与H→μτ分支比差异的一致性，探测希格斯玻色子对不同轻子味耦合中可能存在的不对称性。
• 利用完整的Run 2 ATLAS数据集，设定H→eτ与H→μτ分支比的最严格实验上限。

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138 fb⁻¹质子-质子对撞数据。
• 采用两种独立的背景估计技术：基于数据修正的蒙特卡罗模拟的MC模板法，以及利用标准模型背景中电子-μ子对称性的对称性法（Symmetry）。
• 在ℓτℓ′和ℓτhad末态中，应用多变量分析（MVA），结合提升决策树（BDT）与深度神经网络（DNN）以增强信号与背景的分离能力。
• 同时考虑τ衰变为轻子道（τ→ℓνν̄）与强子道（τ→强子ν̄）的模式，以最大化探测灵敏度。
• 执行三种统计分析：对H→eτ与H→μτ分别进行独立搜寻，对两种信号进行联合测量，以及利用对称性法测量分支比差异。
• 基于控制区域与交叉验证技术进行系统误差估计，通过Optuna优化神经网络的超参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子衰变至eτ和μτ末态的分支比最严格的实验上限是什么？
• RQ2 H→eτ与H→μτ的观测分支比如何比较？是否存在其耦合差异的证据？
• RQ3 对称性法是否能提供一种稳健、数据驱动的ℓτℓ′末态背景估计，而无需依赖蒙特卡罗模拟？
• RQ4 MC模板法与对称性法在测量分支比差异方面结果的对比如何？
• RQ5 多变量分析对涉及味违反耦合的稀有希格斯衰变的探测灵敏度如何？

主要发现

• 在H→eτ与H→μτ搜寻通道中均未观测到事件的显著过量，与标准模型预测一致。
• 观测到的95%置信水平上限为B(H→eτ) < 0.20% 和 B(H→μτ) < 0.18%，为迄今最严格的约束。
• 预期的上限为B(H→eτ) < 0.12% 和 B(H→μτ) < 0.09%，相较于以往ATLAS与CMS的结果灵敏度有所提升。
• 测量得到的分支比差异B(H→μτ) − B(H→eτ)为(0.25 ± 0.10)%，在2.5σ范围内与零一致，表明希格斯耦合中无味不对称性的证据。
• MC模板法与对称性法的结果一致，考虑非相关不确定性后，两者测量的分支比差异为−0.22 ± 0.14%。
• 两种方法结果的相容性检验得到χ² p值为0.29，表明两种背景估计技术的结果之间无显著张力。