[論文レビュー] Beyond standard model Higgs physics: prospects for the High Luminosity LHC

André Holzner|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高光度LHCにおけるATLASおよびCMSの感度を、ベクトルボソン散乱における異常な四次ゲージ結合、2ヒッグスダブルレットモデルにおける追加の中性ヒッグスボソン、およびフラバー変換を伴うニュートラルカレントトップ崩壊を焦点として、標準模型を超えるヒッグス物理学へと投影する。異常な四次結合に対しては10–15 TeVの5σ到達限界を予想し、再構成された質量変数による解像度の向上を実現し、t→chのブランチ比に対して95%信頼区間の上限が1.5×10⁻⁴に達すると予測される。

ABSTRACT

This article summarizes a talk given at Higgs Hunting 2014 on projections of the sensitivity of the ATLAS and CMS experiments to beyond Standard Model Higgs physics at the High Luminosity Large Hadron Collider. We describe results on vector boson scattering, searches for additional neutral Higgs bosons in two Higgs doublet models and flavour changing neutral current top decays.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理現象を、ヒッグスボソンの結合定数および崩壊経路を通じて、高光度LHCにおけるATLASおよびCMSの感度を評価すること。
• 特にCP奇性および電荷を帯びたヒッグスボソンの文脈において、2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における追加の中性ヒッグスボソンの探索可能性を評価すること。
• 拡張されたヒッグス系の文脈において、フラバー変換を伴うニュートラルカレントトップクォーク崩壊t→chの到達限界を予測すること。
• 名前付きのZボソンおよびヒッグスボソン質量を用いた最適化された再構成技術、特に解像度を向上させるために、質量再構成を用いることで感度を向上させること。

提案手法

• 最終状態粒子の運動量分布を用いて、pp衝突におけるベクトルボソン散乱過程（WW、WZ、ZZ）を通じて、異常な四次ゲージ結合を探索する。
• 高運動量のレプトン、2次元質量閾値（1 TeV以上）を満たすジェット、および運動量の欠損を示すエネルギーを含む、イベント選別基準を適用する。
• CP奇性ヒッグスボソンの解像度を向上させるために、$ m_A^{\text{rec}} = m_{\ell\ell bb} - m_{\ell\ell} - m_{bb} + m_Z + m_h $ という再構成質量変数を用いる。
• ヒッグスボソンの光子（$ \gamma\gamma $）崩壊の不変質量再構成を用いて、t→ch崩壊を同定し、トップクォーク質量およびレプトン・ジェット多重度に制約を課す。
• ウェイクボソン質量の制約および運動量の欠損を再構成することで、レプトン的ウェイク崩壊におけるニュートリノ運動量を推定する。
• 複数の最終状態（ZZ、WZ、WW、$ \mu\mu $、$ \gamma\gamma $）の結果を統合し、さまざまなBSM状況における感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高光度LHCにおける3000 fb⁻¹のデータ取得後、ATLASおよびCMSがベクトルボソン散乱における異常な四次ゲージ結合に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ2 2HDMにおける$ A \to hZ \to bb\ell\ell $崩壊チャンネルを通じて、HL-LHCはCP奇性ヒッグスボソンをどの程度解像できるか？
• RQ3 HL-LHCにおけるフラバー変換を伴うトップクォーク崩壊$ t \to ch $のブランチ比に対する95%信頼区間の上限はどの程度か？
• RQ4 名前付きのZボソンおよびヒッグスボソン質量を用いた質量再構成といった再構成技術は、重いヒッグスボソンへの感度をどのように向上させるか？
• RQ5 MSSMベンチマークシナリオにおける$ A \to \mu^+\mu^- $崩壊モードの$ m_A $ 対 $ \tan\beta $ 平面における到達限界はどの程度か？

主な発見

• WZ \to \ell^+\ell^-\nu\ell^+\ell^- チャネルにおける異常な四次ゲージ結合の予想される5σ到達限界は、実験および最終状態に応じて10–15 TeVである。
• $ A \to hZ \to bb\ell\ell $ 崩壊において、ATLASの研究は再構成質量変数$ m_A^{\text{rec}} $を用いることで、CP奇性ヒッグスボソンへの感度を向上させた。
• $ A \to \mu^+\mu^- $ チャネルは優れた質量解像度を示し、高$ \tan\beta $の場合、図5に示すように$ m_A \approx 1.5 $ TeVまで5σ到達限界に達する。
• 3000 fb⁻¹のデータ取得後、$ \mathcal{B}(t \to ch) $ の95%信頼区間の上限は$ 1.5 \times 10^{-4} $に達すると予測され、Run Iで観測された上限0.56%よりも著しく改善される。
• $ W^+W^+ \to \ell^+\bar{\nu}\ell^+\bar{\nu} $ チャネルでは、断面積×ブランチ比が増加するが、2つのニュートリノが存在するため運動量再構成の能力が低下する。
• CMSおよびATLASの両者は、$ WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu $ チャネルに感度を持つと予測されており、ジェット間の$ \Delta\eta > 4.0 $ を要件としている（CMS）、ATLASではジェット対の不変質量閾値が1000 GeV、CMSでは600 GeVである。