[論文レビュー] $H^\pm o cb$ in models with two or more Higgs doublets

A. G. Akeroyd, Stefano Moretti+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、自然なフレーバー保存を満たす3HDMにおいて、$H^{/pm}$ のバリオン数の高い幅のうち最大80%を占める $H^{/pm} \to cb$ 衰えに由来するボトムクォークをタグすることで、2つ以上のヒッグスダブルレットを持つモデルにおける $H^{/pm}$ への感度を向上させる手法を提案する。この手法により、標準的な $H^{/pm} \to cs$ 探索と比較して信号対背景比が約2.13倍向上し、フェルミオン結合の制約をより厳密に設定可能となり、$m_{H^{/pm}} < m_t$ の場合に $H^{/pm} \to cb$ の発見可能性が高まる。この手法はアライメント2HDMに対しても直接適用可能であり、標準模型を超える新しい物理を明らかにする可能性を秘めている。

ABSTRACT

Searches for light $H^\pm$s via $t o H^\pm b$ are being carried out at the LHC. Herein, it is normally assumed that the dominant decay channels are $H^\pm o τν$ and $H^\pm o cs$ and separate data analyses are performed with comparable sensitivity to the underlying model assumptions. However, the $H^\pm o cb$ decay rate can be as large as $80\%$ in models with two or more Higgs doublets with natural flavour conservation, while satisfying the constraint from $b o sγ$ for $m_{H^\pm}&lt; m_t$. Despite the current search strategy for $H^\pm o cs$ is also sensitive to $H^\pm o cb$, a significant gain in sensitivity could be obtained by tagging the $b$ quark from the decay $H^\pm o cb$.

研究の動機と目的

• マルチヒッグスダブルレットモデルにおける現在のLHC探索が $H^\pm \to cb$ 衰えに限界を示している問題に対処すること。
• 既存の $t \to H^\pm b$ および $H^\pm \to cs$ 探索戦略の実用的拡張として、$H^\pm \to cb$ 衰えに由来する $b$ クォークをタグすることを提案すること。
• 特に自然なフレーバー保存を満たす3HDMにおいて、ブランチ比が大きい場合に $b$-タギングが $H^\pm \to cb$ への感度を顕著に向上させることを示すこと。
• 3HDMにおける $X$ および $Y$ ユカワ結合パラメータを、$H^\pm \to cb$ 衰えの情報に基づいて制約づけるフレームワークを提供すること。

提案手法

• フェルミオン質量が3つの異なる真空期待値（VEVs）に由来する民主的ユカワ構造を持つ3ヒッグスダブルレットモデル（3HDM）を分析する。
• 電荷を帯びるヒッグスの質量行列は $3 \times 3$ のユニタリ混合行列 $U$ を用いて対角化され、$H^\pm_2$ が最も軽い電荷を帯びるヒッグス状態として特定される。
• ユカワ結合は $X = U_{12}/U_{11}$, $Y = -U_{22}/U_{21}$, $Z = U_{32}/U_{31}$ でパラメータ化され、$b \to s\gamma$ および $Z \to b\bar{b}$ の過程からの制約が課される。
• 信号は $t \to H^\pm b$ の後に $H^\pm \to cb$ が続くものであり、$H^\pm$ 衰えに由来する $b$ クォークをタグすることで背景を抑制する。
• 感度の向上度を推定するため、$b$-タギング効率 $\epsilon_b = 0.5$、$c$-クォークの誤タギング率 $\epsilon_c = 0.1$、軽いクォークの誤タギング率 $\epsilon_j = 0.01$ を用いた $S/\sqrt{B}$ の評価が行われ、約2.13倍の向上が得られた。
• $b$-タギング有無の信号領域を比較し、$b$-タギングにより $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ の領域に対しても感度が得られることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $H^\pm \to cb$ 衰えにおいて $b$ クォークをタグすることで、マルチヒッグスダブルレットモデルにおける $H^\pm \to cb$ への感度が顕著に向上するか？
• RQ2 LHCにおける $t \to H^\pm b$ 探索の文脈で、$H^\pm \to cb$ 衰えに $b$-タギングを適用した場合の信号対背景比の定量的向上度はどの程度か？
• RQ3 $b \to s\gamma$ および $Z \to b\bar{b}$ の制約を満たしつつ、$H^\pm \to cb$ が支配的となる $[|X|, |Y|]$ パラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 $H^\pm \to cb$ が支配的である場合、$\text{BR}(t \to H^\pm b)$ に対する現在のLHCの制限と $b \to s\gamma$ からの制限はどのように比較されるか？
• RQ5 3HDMおよびアライメント2HDMにおいて、$\text{BR}(H^\pm \to cb)$ が80%に達する場合、$b$-タギングにより $H^\pm \to cb$ の発見やより厳しい制約が可能になるか？

主な発見

• $b$-タギング手法により、標準的な $H^{/pm} \to cs$ 探索と比較して信号対背景比が約2.13倍向上し、軽いクォークおよび $c$-クォークによる誤タギングが低減するためである。
• 3HDMにおいて、$|X| \gg |Y|, |Z|$ の条件下で、$H^{/pm} \to cb$ が最大80%のブランチ比を示しつつ、$m_{H^{/pm}} < m_t$ の範囲で $b \to s\gamma$ の制約を満たすことが可能である。
• 現在のLHCによる $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.02$ の制限は、$b \to s\gamma$ からの制限が及ばない領域、特に $15 < |X| < 40$ および $0 < |Y| < 0.04$、また $0 < |X| < 4$ および $0.3 > |Y| > 0.8$ の領域を除外している。
• $H^{/pm} \to cb$ に由来する $b$ クォークをタグすることで、$\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ の領域に対しても感度が得られ、そうでない場合に発見が不可能な領域での $H^{/pm} \to cb$ の発見が可能になる。
• 結果はアライメント2HDM（A2HDM）に対しても直接適用可能であり、$m_{H^{/pm}} < m_t$ の範囲で $\text{BR}(H^\pm \to cb)$ が大きくてもよいが、$V_{cb}$ が小さいため、タイプI, II, IV 2HDMでは同様の向上は達成できない。
• この手法により、$H^\pm \to cb$ 衰えのシグネチャを用いて $X$ および $Y$ ユカワ結合を制約することで、3HDMおよびA2HDMの妥当性を明確に検証する道筋が得られる。