[論文レビュー] Exotic Higgs Decay via AZ/HZ Channel: a Snowmass Whitepaper

Baradhwaj Coleppa, Felix Kling+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、14 TeV LHCにおける$gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$の崩壊チェーンに注目し、拡張されたヒッグス系における非典型的なヒッグス崩壊、特に$A/Z$または$H/Z$最終状態の研究を行っている。300 fb$^{-1}$の統計量のもとで、200–600 GeVの親ヒッグスボソン質量において、95%信頼水準（CL）の除外限界は30 fbから数fbの範囲にあり、5$\sigma$発見感度は約2–3倍高い。これは、特にNMSSMや2HDMのようなモデルにおいて350 GeV未満の重いヒッグスボソンを探査する上で貴重なチャンネルである。

ABSTRACT

While the conventional searches for the Higgs boson focus on its decays to Standard Model (SM) particles: gamma gamma, ZZ, WW, bb and tau tau, in this study, we explore the decays A --> HZ or H --> AZ. Such decays could appear in the exotic decay of the observed SM-like Higgs h --> AZ with a light A, or for extra Higgses in beyond the SM new physics scenarios with an extended Higgs sector. We study the exclusion bounds as well as discovery reach at the LHC for various combinations of (m_A, m_H) for the process: gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll for l =e, mu. We find that for 14 TeV LHC with 300 fb^{-1} integrated luminosity, the 95% C.L. limits on the cross-section for gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll vary between about 30 fb to a few fb for the parent heavy Higgs mass in the range 200 GeV to 600 GeV, while the limits for 5 sigma discovery are about 2-3 times larger. Comparing with the specific case of Next to Minimal Supersymmetric Standard Model, we find that this channel could be useful for heavy Higgs searches, especially for Higgs masses below 350 GeV.

研究の動機と目的

• LHCにおける$bb\ell\ell$最終状態での非典型的なヒッグス崩壊$A \to HZ$または$H \to AZ$の検出可能性を調査すること。
• さまざまな$m_A$および$m_H$質量における、この崩壊のモデルに依存しない除外限界と発見限界を確立すること。
• 特に$t\bar{t}$崩壊が支配的になる状況において、このチャンネルの感度が従来のヒッグス探索モードと比べてどうなるかを評価すること。
• 特にNMSSMと一般的な2HDMのようなモデルにおける、この崩壊チャンネルの関連性を評価すること。
• 現実的な検出器シミュレーションとバックグラウンド抑制を用いた、将来の実験的探索のための定量的ベンチマークを提供すること。

提案手法

• MadGraph 5/MadEventを用いたイベント生成とPythiaを用いたシャワリングおよびハドロン化による、信号過程$gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$のシミュレーション。
• Delphes 3.07を用いた検出器レベルのシミュレーション、Snowmass連携LHC検出器カードを用いて再構成効果をモデル化。
• 運動量および識別に関する段階的なカットを適用：$n_\ell = 2$、$n_b = 2$、$|\eta| < 2.5$、$m_{\ell\ell}$、$m_{bb}$、$m_{bb\ell\ell}$、および$p_T$に基づく選択。バックグラウンドを抑制。
• theta-autoプログラムを用いて、カットを施した信号およびバックグラウンド断面積に基づき、95%信頼水準（CL）の除外限界と5$\sigma$発見感度限界を計算。
• 代表的な$\sigma \times BR$値（$m_H = 125 \pm 2$ GeV）を用いて、特にNMSSMにおけるベンチマークモデルと結果を比較。
• 到達限界計算に伴い、バックグラウンド推定値に10%の系統的不確実性を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV LHCにおける$bb\ell\ell$最終状態での非典型的なヒッグス崩壊$A \to HZ$または$H \to AZ$の除外感度と発見感度は何か？
• RQ2 300 fb$^{-1}$の統計量のもとで、$\sigma \times BR(gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell)$の限界は$m_A$および$m_H$にどのように依存するか？
• RQ3 $HZ/AZ \to bb\ell\ell$チャンネルは、重いヒッグスボソンの$t\bar{t}$崩壊モードと比較して競争力を持つだろうか？
• RQ4 NMSSMおよび一般的な2HDMのシナリオにおいて、このチャンネルの到達限界は既存の限界と比べてどうか？
• RQ5 検出器レベルの効果とバックグラウンド抑制効率は、最終的な感度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 14 TeV LHCと300 fb$^{-1}$の統計量のもとで、$\sigma \times BR(gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell)$の95%信頼水準（CL）の除外限界は、親ヒッグスボソン質量が200 GeVから600 GeVの間で、約30 fbから数fbの範囲に分布する。
• 5$\sigma$発見感度は95%CLの除外限界のおよそ2–3倍高く、$m_H = 125$ GeVのもとで、$m_A = 250$ GeVでは約65 fb、$m_A = 600$ GeVでは5.6 fbの値を示す。
• $m_A$が大きく、$m_H$が小さい場合に感度が向上するが、非常に高い$m_A$かつ小さい$m_H$では$b$ジェットが凝集し、2ジェット要件を満たさなくなるため、感度が低下する。
• NMSSMでは、ヒッグスボソン質量が350 GeV未満の領域で、$t\bar{t}$崩壊モードが開き、他のシグナルが抑制されるため、$HZ/AZ \to bb\ell\ell$チャンネルは特に有効である。
• 一般的なタイプII 2HDMにおいても、ヒッグスボソン質量が350 GeVを超える領域で競争力を持ち、$t\bar{t}$チャンネルを上回る可能性がある。
• バックグラウンドに10%の系統的不確実性を組み込むと、到達限界はわずかに劣化するが、全体的な感度は研究された質量範囲にわたり安定している。