[論文レビュー] HiggsTools: BSM scalar phenomenology with new versions of HiggsBounds and HiggsSignals

Henning Bahl, Thomas Biekötter+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、BSMスカラーの素性論的解析を再考し、HiggsBoundsとHiggsSignalsを統合したネイティブなPythonおよびMathematicaインタフェースを備えた、現代的なC++フレームワークHiggsTools-1を提示する。HiggsPredictionsを導入してモデル入力を可能とし、完全な二ヒッグスおよび二重に帯電したヒッグスの探索限界をHiggsBoundsに統合し、複雑な測定値の統一的取り扱いをHiggsSignalsに実装することで、LHCおよびLEPのデータに対するBSMモデルの正確で自動化されたテストが、より高い精度と拡張性をもって可能になる。

ABSTRACT

The codes HiggsBounds and HiggsSignals compare model predictions of BSM models with extended scalar sectors to searches for additional scalars and to measurements of the detected Higgs boson at 125GeV. We present a unification and extension of the functionalities provided by both codes into the new HiggsTools framework. The codes have been re-written in modern C++ with native Python and Mathematica interfaces for easy interactive use. We discuss the user interface for providing model predictions, now part of the new sub-library HiggsPredictions, which also provides access to many cross sections and branching ratios for reference models such as the SM. HiggsBounds now implements experimental limits purely through json data files, can better handle clusters of BSM particles of similar masses (even for complicated search topologies), and features an improved handling of mass uncertainties. Moreover, it now contains an extended list of Higgs-boson pair production searches and doubly-charged Higgs boson searches. In HiggsSignals, the treatment of different types of measurements has been unified, both in the χ2 computation and in the data file format used to implement experimental results. Program title:HiggsTools CPC Library link to program files:https://doi.org/10.17632/b25smy28cj.1 Developer's repository link:https://gitlab.com/higgsbounds/higgstools Licensing provisions: GPLv3 Programming language:C++, Python, Mathematica Journal reference of previous version: P. Bechtle, O. Brein, S. Heinemeyer, G. Weiglein, K.E. Williams, Comput. Phys. Commun. 182 (2011), 2605-2631 Does the new version supersede the previous version?: Yes Reasons for the new version: This version extends the functionality of the previous versions and is re-written in modern C++. Summary of revisions: List of included Higgs-boson searches and Higgs-boson rate measurements has been expanded. Nature of problem: Determine whether a parameter point of a given model is excluded or allowed by LEP and LHC Higgs boson search results, and whether this model point is in agreement with the LHC Higgs-boson rate measurements. Solution method: Exclusion by Higgs boson searches: The most sensitive channel from LEP and LHC searches is determined and subsequently applied to test this parameter point for each Higgs boson of the model under consideration. The test requires as input, model predictions for the Higgs boson masses, branching ratios and ratios of production cross sections with respect to reference values. Agreement with LHC Higgs-boson rate measurements: A χ2 value is calculated based on the available LHC rate measurements. This calculation requires as input model predictions for the Higgs boson(s) at ∼125 GeV. Additional comments including restrictions and unusual features: Assumes that the narrow width approximation is applicable in the model under consideration and that the model does not predict a significant change to the signature of the background processes or the kinematical distributions of the signal cross sections.

研究の動機と目的

• BSMヒッグス素性論的解析のためのレガシーフォートランベースのHiggsBoundsおよびHiggsSignalsツールを統合・現代化すること。
• LHCおよびLEPのヒッグス探索限界と精度測定に対する、使いやすく拡張可能なフレームワークを提供すること。
• HiggsPredictionsを中央ライブラリとして統合し、参照モデルのクロスセクションおよび分岐比を含む、モデル入力のためのものとする。
• HiggsBoundsに非共鳴状態の二ヒッグスおよび二重に帯電したヒッグス探索限界を追加し、質量不確実性および粒子クラスタリングの取り扱いを改善すること。
• HiggsSignalsを、単純な率制約を越えた複雑な測定値、特にCMSのτ⁺τ⁻カップリング測定のようなCP感受性分析を扱えるように拡張すること。

提案手法

• モジュラー設計を採用した現代的なC++によるHiggsBoundsおよびHiggsSignalsの再実装により、パフォーマンス、保守性、拡張性の向上を実現した。
• BSMスカラー・モデルを定義するための独立したサブライブラリとしてHiggsPredictionsを導入し、明示的な入力または有効カップリングを用いて質量、幅、量子数、生成・崩壊率を指定できるようにした。
• HiggsBoundsにおけるハードコードされた限界を、柔軟かつスケーラブルな新しい実験結果の統合を可能にする動的JSONベースのデータファイルに置き換えた。
• 複数のBSMスカラーが類似した質量を持つ場合や複雑な崩壊トポロジーを持つ場合に対応するため、HiggsBoundsにおける粒子クラスタリングを強化した。
• χ²計算を異なる測定タイプ（非率観測量、例えばCP感受性カップリングを含む）にわたって統一するようにHiggsSignalsを拡張した。
• インタラクティブ利用を想定した、C++、Python、Mathematicaの3つの主要言語でのインターフェースを提供し、詳細なドキュメンテーションと例題ワークフローを整備した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レガシーなHiggsBoundsおよびHiggsSignalsツールは、BSMヒッグス素性論的解析のための単一で拡張可能なフレームワークにどのように統合・現代化できるか？
• RQ2 新しいHiggsPredictionsライブラリは、BSMモデルにおける生成・崩壊率の予測入力をどの程度簡素化できるか？
• RQ3 HiggsBoundsに完全な二ヒッグスおよび二重に帯電したヒッグス探索限界を組み込むことで、感度および精度にどの程度の向上が得られるか？
• RQ4 HiggsSignalsにおける複雑な測定値の統一的取り扱いは、BSMモデルとLHCデータの適合性テストにどのように寄与するか？
• RQ5 信号クロスセクションの正しい予測を使用することで、charm Yukawaカップリングなどのモデルパラメータの制約にどのような影響が生じるか？

主な発見

• HiggsPredictions、HiggsBounds、HiggsSignalsを含む新しいHiggsTools-1フレームワークは、GitLab経由で公開されており、C++、Python、Mathematicaのインターフェースをサポートしている。
• HiggsPredictionsは、明示的パラメータまたは有効カップリングを用いて正確なモデル入力を可能とし、標準模型および一般的なBSMモデルの参照クロスセクションおよび分岐比への組み込みアクセスを備えている。
• HiggsBoundsは、完全な二ヒッグス対生成探索（例：h125h125 → bbγγ、bbbb、ττγγ）および二重に帯電したヒッグスボソンの限界をサポートしており、そのカバレッジが顕著に拡大された。
• HiggsSignalsは、CP感受性分析（例：h → τ⁺τ⁻のCMS測定）のような非率観測量を扱えるようになり、ヒッグスカップリング構造に対するより正確な制約が可能になった。
• ベンチマークスタディでは、正しい信号クロスセクション予測が不可欠であることが示された。誤った仮定は、charm Yukawaカップリングに対する誤った制約を引き起こす可能性がある。
• 2HDMでは、HiggsBounds（直接探索）とHiggsSignals（率測定）の組み合わせによる制約から、特に質量が800 GeVのタイプIモデルにおいて、顕著なBSM効果が依然として妥当であることが明らかになった。