[論文レビュー] Multi-lepton signatures of additional scalar bosons beyond the Standard Model at the LHC

S. E. von Buddenbrock, Alan S. Cornell+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける標準模型を超える2つの仮説的なスカラー粒子HとSからのマルチレプトン署名を調査する。Hはグルーオン融合またはトップ粒子関連生成により生成され、Sおよびhに崩壊する。Sはレプトンに崩壊する。トップ＝ヤコビの結合強度の最尤値はβ²g = 1.38 ± 0.22であり、Run 2のデータに新たな物理の兆候がある可能性を示唆する。

ABSTRACT

Following a prediction made in Refs.~\cite{vonBuddenbrock:2015ema,Kumar:2016vut,vonBuddenbrock:2016rmr}, this paper focuses on multi-lepton signatures arising from two new hypothetical scalar bosons, $H$ and $S$, at the Large Hadron Collider (LHC). These two new bosons are an extension to the Standard Model (SM) and interact with the SM Higgs boson, $h$. We consider two production modes for $H$, one being gluon fusion and the other being in association with top quarks. The $H o S h$ decay mode is considered, where leptonic final states are studied. The CP properties of $S$ are characterised by considering effective couplings derived from dimension six operators through $SWW$ vertices. The nature of the $S$ boson is considered in two separate contexts. Firstly in a simplified model, it is considered to have Higgs-like couplings. Secondly, we consider a heavy neutrino model and its interactions with the $Z, W$ and $S$ bosons. The predictions of the models are compared both to ATLAS and CMS results at $\sqrt{s} = 8$ and $13$~TeV, where appropriate. The data is interpreted using a simplified model where all the signal comes from $H o S h$, assuming $S$ to be Higgs-like, $m_H=270$~GeV and $m_S=150$~GeV. The combined result yields gives a best fit value for the parameter $β_g$ (the strength of the Yukawa coupling of $H$ to top quarks), $β_g^2=1.38\pm 0.22$. A number of regions of the phase space are suggested to the experiments for further exploration.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える追加のスカラー粒子HとSに起因するマルチレプトン最終状態を、LHCにおいて調査すること。
• H→ShのBr=100%で、Sがレプトンに崩壊する簡略化モデルをテストすること。mH=270 GeVおよびmS=150 GeVを仮定する。
• √s=8 TeVおよび13 TeVでのATLASおよびCMSデータと予測を比較し、トップ＝ヤコビ結合定数βgを制約すること。
• 有効次元6オペレーターを用いてSのCP構造を調査し、ヒッグスに類似した結合と重いニュートリノモデルを比較すること。
• 将来の実験的探索における、新たな物理の検出感度が高まるべき位相空間領域を同定すること。

提案手法

• √s=13 TeVにおけるグルーオン融合（gg→H）およびトップ粒子関連生成（pp→tH, t̄H, tt̄H）によるH生成をシミュレートする。
• H→Shが100%のブランチ比であると仮定し、S→ℓ⁺ℓ⁻またはS→Nᵢνₗ（重いニュートリノモデル内）に崩壊するが、暗黒物質への見えない崩壊はないと仮定する。
• 有効場理論を用い、次元6オペレーターでS WW結合をモデル化し、CPに敏感な運動量分布を調査する。
• 二レプトン、三レプトン、四レプトン最終状態のイベントレベル解析を実施し、インヴァリアント質量、∆ϕ、および横方向質量分布に注目する。
• β²gを自由パラメータとして、Run 1およびRun 2のATLASおよびCMSの二レプトンインヴァリアント質量データにモデル予測をフィットする。
• 信号予測を標準模型のバックグラウンドと比較し、異なるレプトン最終状態およびジェット多重度における識別能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H→Sh→4W生成によるマルチレプトン最終状態は、Run 1で観測されたヒッグス粒子の横方向運動量および関連ジェット活動の持続的過剰を説明できるか？
• RQ2 グルーオン融合およびトップ粒子関連生成の文脈において、H→Sh崩壊のトップ＝ヤコビ結合定数β²gの最尤値は何か？
• RQ3 S WW頂点におけるCP奇およびCP偶の結合が、四レプトン最終状態の運動量分布にどのように影響するか？
• RQ4 ヒッグスに類似したSの結合が、重いニュートリノモデルにおけるそれと比べて、信号識別性においてどの程度異なるか？
• RQ5 マルチレプトン最終状態におけるどの位相空間領域が、標準模型を超える新しい物理の検出感度が最も高いか？

主な発見

• ATLASおよびCMSデータへの統合フィットにより、β²g = 1.38 ± 0.22の最尤値が得られ、新たなスカラー粒子Hのトップ＝ヤコビ結合が顕著に増幅している可能性を示唆する。
• mS=150 GeVのヒッグスに類似したSモデルは、OSおよびSSチャンネルの二レプトンインヴァリアント質量分布に良好なフィットを示すが、SSチャンネルの統計的サンプル数は限られている。
• ∆ϕℓℓおよび二レプトン系の横方向質量といった運動量分布は、SMの期待値から明確に逸脱しており、特に三レプトンおよび四レプトン最終状態で顕著である。
• S WW結合のテンソル構造は、最終状態レプトンの角度分布に影響を与え、CP奇成分は∆ϕおよびcosθ分布に特徴的なパターンを示す。
• 三レプトンチャンネルは信号に対して強く感度を示し、欠落横方向エネルギーおよびレプトン-ジェット間の角度分離に顕著な差が観測される。
• 高多重度ジェットおよび特定のレプトンペア構成（例：同符号ペア）を有する領域では、信号対バックグラウンド比が向上し、将来の実験的探索における有望な道筋を示唆する。