[論文レビュー] Benchmark Suggestions for Resonant Double Higgs Production at the LHC for Extended Higgs Sectors

Sebastian Baum, Nausheen R. Shah|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、13 TeV LHCにおける2HDM+Sおよび$Z_3$ NMSSMにおける共鳴的二重ヒッグス生成のベンチマークシナリオを、300 fb⁻¹のデータ量に最適化して提示する。$Z$-不活性および最大ミスアライメントのシナリオにおいて、$A \to h_{125}a$、$H \to h_{125}h$、$H \to h_{125}h_{125}$の有効なシグネチャを同定し、NMSSMの2つのベンチマークポイントが$h_{125}b\bar{b}b\bar{b}$最終状態を通じて検出可能な信号強度を示す。

ABSTRACT

In this note we present benchmark scenarios for resonant double Higgs production at the $13\,$TeV LHC in the 2HDM+S model and the $Z_3$ Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), which may be accessible with 300 fb$^{-1}$ of data. The NMSSM Higgs sector can be mapped onto the 2HDM+S. We show benchmark points and relevant parameter planes in the 2HDM+S for three sets of signatures: ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$, ($A o a h, H o hh, H o aa)$, and ($H o h_{125}h_{125}$). The first two signatures are optimized in what we call $Z$-Phobic scenarios where $H/A$ decays into final states with $Z$ bosons are suppressed. The last signature, $h_{125}$ pair production, is directly proportional to the misalignment of $h_{125}$ with the interaction state sharing the couplings of a SM Higgs boson, and hence is presented in the Max Misalignment scenario. We also present two NMSSM benchmark points for the ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$ signatures. The benchmark scenarios presented here are based on Refs. [1,2].

研究の動機と目的

• LHCにおける拡張されたヒッグス系における共鳴的二重ヒッグス生成の実現可能なベンチマークシナリオを同定すること。
• 現実的な積分光度条件下で、特定のシグネチャ—$A \to h_{125}a$、$H \to h_{125}h$、$H \to h_{125}h_{125}$—の検出可能性を最適化すること。
• $Z_3$ NMSSMのヒッグス系を2HDM+Sフレームワークにマッピングし、統一的かつ包括的な素粒子現象論的解析を可能にすること。
• 300 fb⁻¹のデータ量を想定した信号強度の予測を通じて、これらのシナリオの検出可能性を評価すること。
• 共鳴的二重ヒッグス探索における$Z$ボソンおよび$b$クォーク最終状態の相補的性を調査すること。

提案手法

• 2HDM+Sモデルを統一的フレームワークとして用い、2つの$SU(2)$二重スカラーと複素スカラーダイレクトを含み、タイプ-IIヤコビ構造と固定された$\tan\beta = 2.5$を採用する。
• ヒッグス基底状態の質量、混合角、真空期待値（$v$、$\tan\beta$、$v_S$）、および三重項結合を含むパラメータ空間においてベンチマークポイントを構築する。
• 3つの異なるシグネチャセットを分析：$Z$-媒介の decay を抑制する$Z$-不活性シナリオ、および$SMに類似した状態への$h_{125}$-類似結合を最大化する最大ミスアライメントシナリオ。
• 信号強度は$gg \to \Phi \to \text{最終状態}$の形式で予測し、$\Phi$は$A$または$H$を表し、最終状態には$h_{125}a$、$h_{125}h$、$hh$、$aa$、$b\bar{b}b\bar{b}$が含まれる。
• NMSSMのベンチマークポイントは、先行研究（Baum:2019uzg）に基づき、一貫性を保つために2HDM+Sフレームワークにパラメータをマッピングする。
• ブランチ比および崩壊幅は、ヒッグス基底での結合定数を用いて計算し、$Z$-不活性性は$\kappa$および$\lambda$パラメータの調整により$Z$結合モードを抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDM+Sおよび$Z_3$ NMSSMにおけるどのベンチマークシナリオが、300 fb⁻¹のLHCデータ量で検出可能な共鳴的二重ヒッグス生成信号を示すか？
• RQ2 $Z$-不活性および最大ミスアライメントシナリオは、二重ヒッグス最終状態の可視性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 300 fb⁻¹のデータ量を想定した場合、NMSSMベンチマークポイントにおける$A \to h_{125}a \to b\bar{b}b\bar{b}$の予測信号強度はどの程度か？
• RQ4 $h_{125}$、$a$、$h$、$H$、$A$のブランチ比は、異なる最終状態の検出可能性にどのように寄与するか？
• RQ5 $Z$ボソンおよび$b$クォーク最終状態は、共鳴的二重ヒッグス探索においてどの程度相補的か？

主な発見

• ベンチマークポイントBP1では、$m_A = 750$ GeV、$m_a = 168$ GeV、$m_H = 750$ GeV、$m_h = 561$ GeV、$\mu = -466$ GeV、$\kappa = 0.347$であり、$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$ となる。
• ベンチマークポイントBP2では、$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$ であり、$m_a = 168$ GeV、$m_h = 561$ GeV、$m_A \approx m_H \approx 750$ GeV、$\mu = -466$ GeV である。
• $H \to h_{125}h$のブランチ比はBP2で${\rm BR}(H\to h_{125}h) = 0.0188$ であり、$m_H \approx 750$ GeV、$m_h = 561$ GeV である。
• $A \to h_{125}a$の崩壊ではBP2で${\rm BR}(A\to h_{125}a) = 0.0188$ であり、$a \to b\bar{b}$のブランチ比は${\rm BR}(a\to b\bar{b}) = 0.797$ であり、$b\bar{b}b\bar{b}$最終状態は実現可能である。
• $Z$-不活性シナリオは$Z$媒介崩壊を抑制し、$A \to h_{125}a$の検出可能な主要チャネルとして$b\bar{b}b\bar{b}$を提供する。
• 最大ミスアライメントシナリオは$h_{125}$-類似結合を最大化し、$H \to h_{125}h_{125}$を検出可能なチャネルとして可能にする。BP2では$A \to h_{125}a$の信号強度が$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}} = 0.442$ となる。