[論文レビュー] Discovery of Charged Higgs through {\gamma}{\gamma} final states

Debottam Das, Lukas Mitzka+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、13 TeV LHCにおける発見可能性を実現するため、次に最小限の超対称標準模型（NMSSM）におけるチャージドヒッグスボソン（H⁺）の崩壊H⁺ → W⁺H₁/A₁ → W⁺γγを介した、新しい探索チャネルを提案する。パートンレベルのモンテカルロシミュレーションを用いて、H₁/A₁質量が60–80 GeVの場合、現実的なカットを適用しても、二光子最終状態においてバックグラウンド上に明確な信号ピークが得られることを示し、拡張されたヒッグス系における発見可能性が非常に高いことを示している。

ABSTRACT

Extending the Higgs sector by an additional $SU(2)_L$ doublet Higgs boson implies the existence of a charged Higgs boson $H^+$. The LHC experiments search for such particle focusing on it decays into leptonic and quark decay final states, namely $\ au \ u$,$cs$ and $tb$. However, if the Higgs sector if further extended, e.g. by a gauge singlet as in the NMSSM, the charged Higgs boson can also decay into a light scalar or pseudoscalar Higgs boson which itself decays further into a two photon final state. We present here scenarios where $H^+$ is produced in top-quark decays with a sizable cross-section such the corresponding signal is well above the Standard Model background at the 13 TeV run of Large Hadron Collider (LHC) with an integrated luminosity 100 fb$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える拡張されたヒッグス系におけるチャージドヒッグスボソンの新しい発見チャネルを探索すること。
• H⁺が軽いヒッグスボソン（H₁またはA₁）に崩壊し、それがその後γγに崩壊する可能性があるNMSSMのシナリオを調査すること。
• 現実的な実験的カットとバックグラウンド抑制を適用した13 TeV LHCでのこのような信号の検出可能性を評価すること。
• H⁺ → W⁺H₁/A₁が支配的である場合、γγ最終状態が軽いチャージドヒッグスボソンを発見するための実用的で感受性の高いチャネルであることを示すこと。

提案手法

• 信号過程 t t̄ → H⁺H⁻ → W⁺W⁻H₁/A₁ → W⁺W⁻γγ をモデリングするため、パートンレベルのモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 現実的な検出器レベルのカットを適用：pT(γ) > 20 GeV、mγγ > 10 GeV、pT(b) > 40 GeV、ΔR > 0.4、およびmjjがWボソン質量から20 GeV以内に収まる。
• 2つのハードジェットがmWに近いインバリアント質量を持つこと、2つの光子が高いpTを持つこと、1つの孤立したレプトンがあることを要件とする運動量再構成を実施する。
• バックグラウンド推定を、SM過程 pp → W⁺bW⁻b̄γγ、pp → W⁺bW⁻jγγ、および1つのハドロン的崩壊と1つのレプトン的崩壊を持つWボソンを含むpp → W⁺bW⁻γγから行う。
• 最初に木レベルの断面積を用い、その後NLO+NNLL QCD補正（K要因 ≈ 1.6–1.7）を適用して信号およびバックグラウンドの率をスケーリングする。
• 信号およびバックグラウンドのインバリアント質量分布mγγを比較し、バックグラウンド上に観測可能なピークを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMにおいて、H⁺ → W⁺H₁/A₁ → W⁺γγ崩壊チェーンを介して、チャージドヒッグスボソンを発見できるか？
• RQ2 13 TeV LHCにおいて、H₁/A₁質量が60–80 GeVの範囲で、γγ最終状態における信号の有意性はいかほどか？
• RQ3 高次のQCD補正を含めた場合、信号対バックグラウンド比はどのように変化するか？
• RQ4 現実的な検出器レベルのカットを適用しても、このようなシナリオにおいてmγγ分布に明確な信号ピークが保持されるか？
• RQ5 H⁺が軽いヒッグスボソンに優先的に崩壊し、それが二光子に崩壊する場合、LHC探索戦略にどのような影響を与えるか？

主な発見

• BMP-AおよびBMP-Bの両シナリオにおいて、mγγ分布に明確な信号ピークが現れ、13 TeV LHCにおける発見可能性が非常に高いことが示された。
• BMP-Aシナリオでは、パートンレベルでもバックグラウンドと顕著に異なる信号が観測され、SMバックグラウンドを著しく上回る過剰が確認された。
• BMP-Bシナリオでは、パートンレベルでも明確な信号が観測されたが、現実の条件下での頑健性を確認するには、完全な検出器シミュレーションが必要である。
• NLO+NNLL QCD補正を適用することで、信号断面積はK要因約1.6–1.7で増加し、信号対バックグラウンドの有意性は約30%向上した。
• 本研究では、γγ最終状態が、NMSSMのような拡張されたヒッグス系を有するモデルにおいて、軽いチャージドヒッグスボソンを発見するための実用的で感受性の高いチャネルであることを示した。