[論文レビュー] Higgs Search Constraints on Fourth Generation Scenarios with General Lepton Sectors

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、一般のレプトン系を含む第四世代のシナリオにおいて、ヒッグスボソンの一般化された除外限界を確立し、生産の増幅と重いクォークへの主要な崩壊が原因で、現在のLHC探索により155–600 GeVのヒッグス質量領域が除外されることを示している。しかし、第四世代ニュートリノが軽く（ヒッグス質量の半分未塔）かつディラック状態とマヨラナ状態の間で強く混合されている場合、ヒッグスは主にこれらのニュートリノへと崩壊し、検出不能となり、155 GeV未塔の有効なパラメータ空間が残存する。

ABSTRACT

I present a general exclusion bound for the Higgs in fourth generation scenarios with a general lepton sector. Recent Higgs searches in fourth generation scenarios rule out the entire Higgs mass region between 120 and 600 GeV. That such a large range of Higgs masses are excluded is due to the presence of extra heavy flavors of quarks, which substantially increase Higgs production from gluon fusion over the Standard Model rate. However, if heavy fourth generation neutrinos are less than half of the Higgs mass, they can dominate the Higgs decay branching fraction, overtaking the standard Higgs to WW* decay rate. The Higgs mass exclusion in a fourth generation scenario is shown most generally to be 155-600 GeV, and is highly dependent on the fourth generation neutrino mixing parameter.

研究の動機と目的

• 一般のレプトン系を有する第四世代モデルにおけるヒッグスの除外限界を再評価し、特にニュートリノの混合と質量パラメータに注目する。
• 第四世代モデルにおけるヒッグスの生産断面積の大幅な増幅が、ヒッグスが軽い第四世代ニュートリノへと主に崩壊する場合に回避可能かどうかを特定する。
• きびしいLHCヒッグス探索制約のもとでも、残存する可能性のある第四世代ニュートリノ質量と混合パラメータの領域を同定する。
• 特にニュートリノ崩壊チャネルが支配的となる領域において、ヒッグスのブランチ比がWW*に与える依存関係を定量化する。

提案手法

• ディラック質量項とマヨラナ質量項を含む一般化された第四世代ニュートリノ質量行列を構築し、2つのマヨラナ質量固有状態を導出する。
• 混合角に依存するニュートリノ質量固有状態へのヒッグスカップリングを導出し、ディラック質量とマヨラナ質量成分の比による依存性を示す。
• 第四世代モデルにおけるWW*へのヒッグス崩壊幅を計算し、標準模型と比較する。ニュートリノ質量と混合に依存する崩壊幅比を用いる。
• CMSおよびATLASのヒッグス探索除外限界（特にh→WW*最終状態）を適用し、パラメータ空間を制約する。有効な領域を特定するために崩壊幅比を用いる。
• N1–N2ニュートリノ質量平面における等高線マップを作成し、異なるヒッグス質量における許容領域を可視化する。混合角と運動的閾値の役割に特に注目する。
• 安定および不安定なニュートリノの両方のシナリオを検討し、ヒッグス崩壊トポロジー（見えない状態またはハードレプトン最終状態）と探索感度への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスが主に軽い第四世代ニュートリノへと崩壊する場合、第四世代モデルにおけるヒッグスボソンは、現在のLHCの除外限界をどの程度回避できるか？
• RQ2 第四世代ニュートリノのディラック成分とマヨラナ成分の混合角が、ヒッグスのブランチ比WW*に与える影響は何か？
• RQ3 ヒッグスがWW*ではなく軽いニュートリノへと崩壊する場合、第四世代シナリオで残存可能な最大のヒッグス質量は何か？
• RQ4 第四世代クォークによるヒッグス生産断面積の増幅が、ニュートリノのブランチ比に起因するWW*チャネルの抑制とどのように作用するか？
• RQ5 ヒッグスが2つの軽い不安定な第四世代ニュートリノへと崩壊し、それがWボソンとレプトンへとさらに崩壊する場合、ヒッグス探索にどのような影響があるか？

主な発見

• 標準的なヒッグス崩壊を伴う第四世代シナリオでは、グルーオン融合による生産増幅とWW*への主要な崩壊割合のため、155–600 GeVのヒッグス質量領域が除外される。
• ヒッグス質量が155 GeV未塔の場合、最も軽い第四世代ニュートリノがヒッグス質量の半分未塔であり、かつディラック状態とマヨラナ状態の間で強く混合されている場合、第四世代のパラメータ空間の大部分が有効なままである。
• ニュートリノがほぼ純粋なディラック状態（混合角がπ/4付近）のとき、ヒッグスカップリングは最大値に達し、ニュートリノがよりマヨラナ的になる（混合角がπ/2付近）と低下する。
• ヒッグスが軽いニュートリノへと崩壊する場合、特にニュートリノが不安定でWボソンとレプトンへと崩壊する場合、WW*へのブランチ比は著しく低下し、最終状態トポロジーが変化する。
• ヒッグス質量が約300 GeVを超えると、位相空間の支配的効果により、WW*へのブランチ比が無視できないほど増大し、600 GeVまで除外が強化される。
• 第四世代ニュートリノがよく混合されている（中間的な混合角）場合、許容パラメータ空間は最大となり、ニュートリノが純粋なマヨラナ状態になるか、運動的閾値を超えて重くなると、急速に縮小する。