[論文レビュー] BSM Higgs searches in the gluon fusion process pp -> h +jet -> au^+ au^- + jet at the LHC

A. Belyaev, Renato Guedes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、14 TeV LHCにおけるグルーオン融合生成に続くタウレプトンとジェットへの崩壊を通じて、標準模型を越えた（BSM）状況下での非常に軽いヒッグスボソンの発見可能性を調査する。部分的ハドロンレベルのシミュレーションを用いて、初期のデータ（最低100 pb⁻¹）において、フェルミオンへのカップリングが標準模型に類似した軽いヒッグス（20–60 GeV）が、特定の2HDM+nDおよび3HDM(D)モデルにおいて95%信頼水準で除外可能であることを示している。特に、tanβが大きく、あるいは特定の混合パラメータを持つ領域で顕著である。

ABSTRACT

The mass of the Standard Model (SM) Higgs boson was constrained by the Large Electron-Positron (LEP) collider to be above 114.4 GeV. Simple extensions of the scalar sector like adding singlets and/or doublets allow the lightest Higgs to be much lighter via a reduction in its coupling to gauge bosons. Such a light Higgs could have evaded the LEP searches but could be detected at the Large Hadron Collider (LHC) in the process pp -> h j -> tau^+ tau^- j, where j is a resolved jet. We conclude that in some Beyond the Standard Model (BSM) extensions of the scalar sector, a very light Higgs state could be detected at the 14 TeV LHC with early data.

研究の動機と目的

• ゲージボソンへのカップリングが抑制されているため、LEPの制約を逃れた非常に軽いヒッグスボソン（60 GeV未塔）の検出可能性を評価すること。
• このような軽いヒッグス状態が、グルーオン融合過程pp → h + ジェット → τ⁺τ⁻ + ジェットを通じてLHCで発見可能かどうかを調査すること。
• 標準模型を越えた拡張されたヒッグス系における、初期の統合光度（例：100 pb⁻¹）を用いたLHCの発見および除外可能性を評価すること。
• 追加のヒッグスダブルットやシングレットとの混合が、2HDM+nDや3HDM(D)のようなモデルにおけるヒッグスカップリングおよび生成断面積に与える影響を調査すること。

提案手法

• √s = 14 TeVにおけるpp → h + ジェット → τ⁺τ⁻ + ジェット過程の部分的ハドロンレベルでの研究を実施し、グルーオン融合を主な生成モードとして焦点を当てる。
• nダブルット（2HDM+nD）またはシングレットの追加を通じて拡張されたヒッグス系を分析し、混合角（θ, α, β, Ω）および真空期待値（VEV）を用いてパラメータ化する。
• 混合パラメータを用いて、ゲージボソンおよびフェルミオンへの修正されたヒッグスカップリングを導出する：gVVh = (cosΩcosθ sin(β−α) + sinΩsinθ)gSMVVh および gffh = cosθ / cosΩ × (cosα/sinβ または −sinα/cosβ) × gSMffh。
• 信号強度比 σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻) をヒッグス質量、tanβ、および混合角の関数として評価する。
• 光度の閾値（100 pb⁻¹、500 pb⁻¹、1 fb⁻¹）を用いて、95%信頼水準での除外または3σ/5σ発見に必要な統合光度を特定する。
• gVVh = 0（微調整された混合によりLEPの制約を回避）のような特別な状況や、上クォーク、下クォーク、レプトンに別々のVEVを持つ民主的3HDM(D)を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージボソンへのカップリングが抑制された非常に軽いヒッグスボソン（20–60 GeV）が、pp → h + ジェット → τ⁺τ⁻ + ジェットチャンネルを通じてLHCで検出可能かどうか？
• RQ2 2HDM+nDおよび3HDM(D)モデルにおける、95%信頼水準での除外または3σ/5σ発見に必要な統合光度はどの程度か？
• RQ3 混合角（θ, α, β）および真空期待値（v1, v2, v0, vl）が、拡張モデルにおける軽いヒッグスの生成断面積および分支比に与える影響は？
• RQ4 どのパラメータ空間の領域（例：高tanβ、特定の混合）において、初期のLHCデータ（≤1 fb⁻¹）で軽いヒッグスが検出可能か？
• RQ5 gVVh = 0（つまり、W/Zへのカップリングなし）の状況では、依然としてフェルミオン崩壊を通じて軽いヒッグスを発見可能か？また、その場合に必要な光度は？

主な発見

• 標準模型に類似したフェルミオンへのカップリングを持つ軽いヒッグスボソンは、√s = 14 TeV、統合光度が1 fb⁻¹未塔の範囲で20–60 GeVの質量範囲において95%信頼水準で除外可能である。
• 2HDM+nDのモデルIIでは、mh < 60 GeVおよびtanβ = 30の領域が、100 pb⁻¹の光度で十分に探査可能である。
• 2HDM+nDのモデルIVでは、mh < 60 GeVおよびtanβ = 2–3の領域において、500 pb⁻¹の光度でパラメータ空間の大部分が探査可能である。
• sinΩ ≈ 0.1およびα ≈ βの3HDM(D)モデルでは、95%信頼水準で5 fb⁻¹の統合光度を経過しても、パラメータ空間のわずかな部分が未検査のまま残る。
• 信号強度比 σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻) は、Ωが小さい場合に最大で1/cos²Ωの要因まで増幅され、特定の混合状態で断面積の顕著な増幅が示唆される。
• gVVh = 0（例：sin(β−α) = −tanΩtanθ）の状況では、微調整を必要とせずLEPの制約を回避可能であり、tanβが大きくまたは混合が有利な場合、依然としてτ⁺τ⁻崩壊を通じて軽いヒッグスを発見可能である。