[論文レビュー] Flavor violating signatures of neutral Higgs bosons at the LHeC

J. Hernández-Sánchez, S. P. Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2HDM-IIIにおける四つのゼロヤコビ行列を有するタイプIIIの二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-III）において、将来の大型ハドロン・エレクトロン衝突型加速器（LHeC）で、最も軽い（標準模型に類似した）および最も重いCP偶性ヒッグスボソン（hおよびH）のフラバー非保存崩壊（b̄s終状態）の発見可能性を調査している。e⁻p → νₑh/H q_f の生成とその後の h/H → b̄s 崩壊を用いて、100 fb⁻¹のデータで h（125 GeV）は1–2σの有意性を示し、H（最大150 GeV）は1σの有意性を示す。LHeC運転終了時点で1000 fb⁻¹に達すると、保証的な発見（10×有意性）に到達する。

ABSTRACT

We analyze the prospect for observing the lightest and heaviest CP-even neutral Higgs bosons ($ϕ=h,\;H$) in their decays to flavor violating $b\bar{s}$ (with charge conjugate) final states at the future Large Hadron electron Collider (LHeC), in the framework of the Two Higgs Doublet Model type III (2HDM-III) assuming a four-zero texture in the Yukawa matrices and a general Higgs potential. We consider the charge current production processes $e^- p o ν_e ϕq_f$ ($ϕ= h, \; H$), with the flavor violating decays of the Higgs bosons. We consider scenarios of the model which are consistent with current experimental data from flavor and Higgs physics. We also consider the most relevant Standard Model (SM) backgrounds. We find that the lightest (SM-like) CP-even Higgs boson $h$ and the heaviest one $ H$ (with mass up to 150 GeV) would have 1--2 $Σ$ and 1 $Σ$ significances, respectively, with 100 fb$^{-1}$ of data. At the end of the LHeC running, the significances would be increased by ten times and the detection of both Higgs bosons ($h, H$) would be guaranteed.

研究の動機と目的

• 2HDM-IIIフレームワーク内でのLHeCにおけるフラバー非保存崩壊 h,H → b̄s の観測可能性を評価すること。
• 2HDM-IIIにおける四つのゼロヤコビ行列を有するフレームワークで、ヒッグス媒介フラバー非保存を促進するシナリオを探索すること。
• LHeCにおける主要な標準模型（SM）バックグラウンドを考慮した上で、hおよびHのb̄s終状態への崩壊の信号有意性を評価すること。
• 現実的なLHeCの光度および検出器条件を想定した上で、これらのフラバー非保存ヒッグス崩壊の発見可能性を特定すること。
• 将来のレプトン・ハドロン衝突型加速器で、希少でフラバー非保存のヒッグス崩壊を通じて、標準模型を超える新しい物理を探索する手段を提供すること。

提案手法

• ヒッグス系を、木レベルのFCNCを抑制し、フラバー非保存ヒッグスカップリングを許容する四つのゼロヤコビ行列を有する2HDM-IIIのフレームワークでモデル化する。
• 一般ヒッグスポテンシャルを用い、フェルミオンカップリングを次元なしパラメータ χ_ij^f と位相因子でパラメータライズし、フラバー非保存相互作用を記述する。
• LHeCにおける中心系エネルギー約1.3 TeV、年間統合光度100 fb⁻¹の条件下で、e⁻p → νₑφ q_f（φ = h, H）の電荷現在生成過程をシミュレートする。
• 主なSMバックグラウンド（νb̄bj、νt̄bj、ν3j）から信号イベントを分離するために、運動学的およびトポロジカルなカット（AからI）を段階的に適用する。
• 有意性を S/√B として計算し、LHeC運転終了時の1000 fb⁻¹のデータ量を想定した予測を行う。
• 異なる tanβ および混合パラメータを有する4つのベンチマークシナリオ（Ia, Ib, IIa, Y）を用いて、多様なフラバー非保存カップリングをカバーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHeCは、四つのゼロヤコビ行列を有する2HDM-IIIフレームワークにおいて、フラバー非保存ヒッグス崩壊 h,H → b̄s を観測可能か？
• RQ2 100 fb⁻¹のデータ量で、LHeCにおける h および H の b̄s 終状態への検出に期待される有意性は何か？
• RQ3 2HDM-IIIにおける異なるベンチマークシナリオは、信号対バックグラウンド比および h,H → b̄s の発見可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 LHeCにおける h および H の b̄s チャネルで、発見レベルの有意性に到達するにはどの程度の光度が必要か？
• RQ5 LHeCは、主なSMバックグラウンド（νb̄bj や νt̄bj）と区別して、これらのフラバー非保存ヒッグス崩壊を識別可能か？

主な発見

• 100 fb⁻¹の統合光度で、標準模型に類似したヒッグスボソン h（125 GeV）は、複数のベンチマークシナリオにおいて h → b̄s 崩壊チャンネルで1–2σの有意性を示す。
• より重いCP偶性ヒッグスボソン H（150 GeV）は、同じ光度およびシナリオIbの下で、H → b̄s 崩壊チャンネルで1σの有意性を示す。
• LHeC運転終了時点で1000 fb⁻¹のデータに達すると、hおよびHの信号有意性は10倍に増加し、10–20σに達する。
• 主なSMバックグラウンドは νb̄bj、νt̄bj、および ν3j であり、特に高い発生レートのため、ν3j は特に挑戦的である。
• LHeC運転終了時点で、b̄s 終状態における両者の発見は保証され、これはフラバー非保存新物理の強力なプローブとなる。
• 結果は、LHeCが標準模型を超えるフラバー非保存ヒッグスカップリングに感受可能であることを示しており、特にb̄s 終状態において、新物理への独自の窓口を提供する。