[論文レビュー] Heavy Higgs Scalars at Future Hadron Colliders (A Snowmass Whitepaper)

E. Brownson, Nathaniel Craig+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、将来の14 TeVおよび33 TeVハドロン衝突機における2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）の重いヒッグススカラースタンス（HおよびA）の発見可能性を評価している。MadGraph、Pythia、Delphesを用いたモンテカルロシミュレーションにより、グルーオン融合およびZZおよびZhへの崩壊を通じた直接探索が、特に|cos(β−α)| ≲ 0.01およびtanβ ≲ 1の領域において、現在の精度のヒッグス結合測定では到達できないパラメータ空間の追加ヒッグス状態の排除または発見を可能にすることが判明した。

ABSTRACT

We investigate the prospects for discovery or exclusion of additional Higgs scalars at the 14 TeV and 33 TeV LHC in the context of theories with two Higgs doublets. We focus on the modes with the largest production rates at hadron colliders, namely gluon fusion production of a heavy CP-even scalar H or a heavy CP-odd pseudoscalar A. We consider the sensitivity of the decay channels H to ZZ to 4l, and A to Zh with Z to ll and h to bb or h to tautau.

研究の動機と目的

• 将来のハドロン衝突機による2HDMにおける追加の中性ヒッグススカラースタンス（HおよびA）の感受性を評価すること。
• 現在のヒッグス結合測定ではカバーできない、特にアライメント限界（|cos(β−α)| ≲ 0.01）近辺の2HDMパラメータ空間の領域を特定すること。
• 直接探索と精度のヒッグス結合測定の相補性が、拡張されたヒッグス系の制約に与える影響を評価すること。
• 14 TeVおよび33 TeVのLHCエネルギーにおける重いヒッグスボソンの発見および排除の到達範囲を、現実的な積層条件を含めて特定すること。
• 高速シミュレーションツールを用いて、検出器効果および積層の変動に対する結果の頑健性を検証すること。

提案手法

• タイプIおよびIIの2HDMにおけるαおよびβ角に基づく解析的再重み付けを用いた、MadGraphを用いたHおよびAのグルーオン融合生産のシミュレーテッド信号イベント。
• パートオンシューティングおよびハドロン化にはPythiaを、一般的なLHCに似た検出器の高速検出器シミュレーションにはDelphesを用いた。
• ggh@nnloおよび[14]の手続きを用いて、解析的に信号断面積および分支比を計算。2HDMのパラメータ空間を単純化するためλ₅=λ₆=λ₇=0とした。
• 20%のバックグラウンド率不確実性を伴う、ZZおよびZh最終状態のインバリアント質量分布を用いて、発見および排除の可能性を評価。
• 積分光度（300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹）およびセンター・オブ・マスエネルギー（14 TeVおよび33 TeV）の異なる条件、積層効果を含めた性能評価。
• 感度を向上させるためにbbおよびττ最終状態の結果を組み合わせ、既存の精度測定によるヒッグス結合制約と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVおよび33 TeVのハドロン衝突機における2HDMの重いCP偶性HおよびCP奇性Aヒッグスボソンの発見到達範囲は何か？
• RQ2 アライメント限界（|cos(β−α)| ≲ 0.01）および低tanβ領域において、直接探索の感受性は精度のヒッグス結合測定と比べてどうか？
• RQ3 どの崩壊チャネル（H→ZZおよびA→Zh）が、異なる2HDMタイプにおいて重いヒッグス状態の発見に最も高い感受性を示すか？
• RQ4 特に高光度条件下で、積層効果および検出器条件の変動に対して結果はどの程度頑健か？
• RQ5 将来の衝突機データを用いて、95%信頼水準で除外されたり、3σ/5σの有意水準で発見されたりする、tanβ対cos(β−α)パラメータ空間の領域はどこか？

主な発見

• 3000 fb⁻¹の積分光度を有する33 TeV衝突機は、|cos(β−α)| ≲ 0.01およびtanβ ≲ 1のパラメータ空間領域における重いヒッグス状態の排除または発見が可能であり、これは現在のヒッグス結合測定では到達できない領域である。
• タイプII 2HDMにおける500 GeVのAボソンについて、3000 fb⁻¹のデータと33 TeVのエネルギーで5σの発見が可能であり、tanβ対cos(β−α)平面の広範な領域をカバーできる。
• A→Zh崩壊におけるbbおよびττ最終状態の組み合わせにより感度が向上し、精度ヒッグス結合測定では制約されないパラメータ空間の領域の排除が可能になった。
• 直接探索は、特に分支比と結合定数が標準模型に類似するアライメント限界領域において、精度ヒッグス結合測定と強い相補性を示す。
• 積層に対して結果は頑健であり、<NPU> = 140でさえも感度の著しい低下を示さず、高光度シナリオにおける高速シミュレーションの有効性が裏付けられた。
• 3000 fb⁻¹および33 TeVの条件下で、両タイプIおよびII 2HDMにおいて、|cos(β−α)| ≲ 0.01およびtanβ ≲ 1の条件下で、Aボソンの除外到達範囲が質量300 GeVまで拡張された。