[論文レビュー] Introducing HiggsBounds 2.0.0

P. Bechtle, Oliver Brein+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

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

ひとこと要約

HiggsBounds 2.0.0 は、予測されたヒッグス粒子の質量、分岐比、結合定数、および断面積を用いて、LEP やテバトロンの除外限界に対する任意のヒッグスセクターをモデルに依存せずにテストするツールである。39/53 のヒッグス探索解析から得られた観測限界および期待限界と比較することで、与えられたモデルのシナリオが95%信頼水準で除外されるかどうかを判断する。前回のバージョンと比較して大幅にカバー範囲が拡大されており、第4世代モデル、MSSM、ランダル＝サンズのシナリオなど、さまざまなモデルの堅牢な除外テストを可能にしている。

ABSTRACT

We introduce version 2.0.0 of the computer program HiggsBounds. The program tests neutral and charged Higgs sectors of new models against the current exclusion bounds from LEP and the Tevatron. As input, it requires a selection of model predictions, such as Higgs masses, branching ratios, effective couplings and total decay widths. The program then uses the expected and observed topological cross section limits from the Higgs searches to determine whether a given parameter scenario of a model is excluded at the 95% C.L. by those searches. Version 2.0.0 includes 39/53 LEP/Tevatron Higgs search analyses, compared to 13/36 in the previous release (1.2.0). Among the newly included analyses are LEP searches for neutral Higgs bosons (H) decaying invisibly or into hadrons, LEP searches via the production modes (tau+ tau- H) and (b b-bar H), Tevatron searches via (t t-bar H), and LEP and Tevatron searches for charged Higgs bosons. Also, all Tevatron results presented at the ICHEP'10 are included in version 2.0.0. In this talk, we explain the basic ideas behind the implementation of HiggsBounds and provide a list of search topologies implemented in version 2.0.0. Furthermore, we apply HiggsBounds 2.0.0 to (a) determine the allowed Higgs mass range for a simple 4th generation model, (b) update/reproduce LEP/Tevatron Higgs exclusion plots for the MSSM m_h-max benchmark scenario, and (c) show exclusion results for the scalar sector of the Randall-Sundrum model.

研究の動機と目的

• LEP およびテバトロンのヒッグス探索から得られる実験的除外境界に対して、任意のヒッグスセクターをモデルに依存せずにテストするためのツールを提供すること。
• HiggsBounds の除外解析のカバー範囲を拡張し、非可視崩壊、$b\bar{b}H$、$\tau^+\tau^-H$、$t\bar{t}H$、および荷電ヒッグス探索を含む、LEP やテバトロンの新しいヒッグス探索トポロジーを含めること。
• モデルの予測信号断面積を観測限界および期待限界と比較することで、与えられたモデルのパrameterシナリオが95%信頼水準で除外されるかどうかを研究者が特定できるようにすること。
• MSSM $m_h^{\text{max}}$ シナリオやランダル＝サンズモデルのスカラー領域のようなベンチマークモデルの更新されたかつ再現可能な除外プロットをサポートすること。

提案手法

• プログラムは、ヒッグス粒子の質量、全幅、分岐比、および基準値に対する生成断面積比といったモデル予測を入力として受ける。
• すべて実装済みの LEP およびテバトロンのヒッグス探索解析を評価し、それらが与えられたモデルシナリオに適用可能かどうかを判断する。
• 適用可能な各解析について、モデルが予測する信号断面積（分岐比でスケーリングされたもの）を、95%信頼水準における観測限界および期待限界と比較する。
• 除外が認められるのは、最も感受性の高い解析において、モデルの予測断面積が観測限界を超えた場合に限る。これにより統計的信頼水準が保たれる。
• このツールはコマンドライン、Fortranサブルーチン（77/90）およびWebインターフェースを通じて利用可能であり、広範なアクセス性を確保している。
• 期待限界の決定にはモンテカルロシミュレーションが用いられ、統計的感度の評価や除外主張の過剰解釈を避けるために使用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HiggsBounds 2.0.0 は、LEP やテバトロンのデータに基づいて、与えられたヒッグスモデルが95%信頼水準で除外されるかどうかを正確に特定できるか？
• RQ2 バージョン 2.0.0 で新たに 39/53 のヒッグス探索解析が組み込まれたことで、バージョン 1.2.0 と比較して感度およびカバー範囲がどの程度向上したか？
• RQ3 HiggsBounds 2.0.0 は、MSSM $m_h^{\text{max}}$ シナリオのようなベンチマークモデルの既存の除外プロットをどの程度再現または更新できるか？
• RQ4 信号断面積が標準模型（SM）と一様にスケーリングされない非SM的モデルでは、プログラムはどのように対処するか？
• RQ5 HiggsBounds 2.0.0 の結果が、第4世代モデルやランダル＝サンズのスカラー領域のような拡張されたヒッグスセクターを持つモデルに与える影響は何か？

主な発見

• HiggsBounds 2.0.0 は、LEP およびテバトロンのヒッグス探索解析のうち 39/53 を含んでおり、バージョン 1.2.0 の 13/36 に比べて大幅に増加している。特に、LEP における $H \to \text{非可視}$、$H \to b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-H$ の探索、およびテバトロンにおける $t\bar{t}H$ および荷電ヒッグス探索が含まれている。
• プログラムは、MSSM $m_h^{\text{max}}$ ベンチマークシナリオの LEP 除外プロットを正常に再現しており、FeynHiggs 2.7.1 を用いた更新された予測と、発表済みの結果とで良好な一致を示している。
• 第4世代モデルでは、HiggsBounds 2.0.0 がヒッグス粒子に対してテバトロンによる除外範囲 130–220 GeV を確認しており、従来の研究と整合的である。
• MSSM $m_h^{\text{max}}$ シナリオにおいて、HiggsBounds 2.0.0 に ICHEP'10 テバトロン結果をすべて組み込むと、$200\,\text{GeV} < m_A < 220\,\text{GeV}$ の領域に除外ギャップが生じることが判明し、$\tau\tau$ 分析が延長されれば将来的にカバー範囲が拡大される可能性がある。
• ランダル＝サンズモデル（RS1）では、低質量領域においてラディオンに類似した状態 $\varphi$ に対して $\gamma\gamma$ および $b\bar{b}$ チャネルが最も感受性が高く、標準模型に類似したヒッグス粒子 $h$ はその結合定数に一致する領域で除外されている。
• このツールは、各モデル点に対して最も感受性の高い解析を正しく特定できており、除外主張が統計的に妥当であり、95%信頼水準の要件を満たしていることを示している。