[論文レビュー] Observability of the Higgs Boson in the Presence of Extra Standard Model Families at the Tevatron

E. Arık, Ö. Çakır+2 more|ArXiv.org|Feb 5, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、追加の標準模型（SM）家族（SM-4、SM-5、SM-6）を含む状況下で、Tevatronにおけるヒッグスボソンの観測可能性を、$WW^*$崩壊チャンネルに焦点を当てて調査している。追加のフェルミオン世代に起因するヒッグス生成断面積の増大により、D0およびCDF実験がLHCよりも前に中間質量ヒッグスボソンを観測可能であり、SM-4では8 fb⁻¹の光度において200 GeVまでの質量範囲が利用可能であることが示されている。

ABSTRACT

The observability of the Higgs boson via the WW^* decay channel at the Tevatron is discussed taking into account the enhancements due to the possible existence of the extra standard model (SM) families. It seems that the existence of new SM families can give the Tevatron experiments (D0 and CDF) the opportunity to observe the intermediate mass Higgs boson before the LHC

研究の動機と目的

• 追加のSM家族が存在する状況で、TevatronがLHCよりも前にヒッグスボソンを観測可能かどうかを評価すること。
• 追加のフェルミオン世代（SM-4、SM-5、SM-6）がヒッグスボソンの生成断面積および分支比に与える影響を評価すること。
• 異なる光度条件（2 fb⁻¹および8 fb⁻¹）における、追加家族を持つモデル下でのTevatronにおける利用可能なヒッグス質量範囲を特定すること。
• 第4族の重いニュートリノ質量（50 GeVまたは100 GeV以上）がヒッグス信号の観測可能性に与える影響を分析すること。
• グルーオン融合および単一共鳴状態生成を介した第4族クォーク生成の間接的シグネチャとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 拡張されたSM家族におけるヤコビ係数およびフェルミオン質量をモデル化するため、フレーバー民主主義および民主的質量行列アプローチを用いる。
• 全家族に等しいヤコビ係数を仮定することで、質量行列を導出し、強化されたヒッグス結合を予測する。
• 追加のフェルミオン世代に起因する、$WW^*$最終状態へのヒッグス生成断面積×分支比を計算する。
• 理論的予測と期待されるTevatronの光度に基づき、95%信頼水準（C.L.）の除外限界を用いた統計的分析を実施する。
• 理論的予測と、2 fb⁻¹および8 fb⁻¹の統合光度における実験的除外限界を比較する。
• ニュートリノ質量の2つのシナリオ（$m_\nu \approx 50$ GeVおよび$m_\nu > 100$ GeV）を想定し、感度の変化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のSM家族が存在する状況で、TevatronはLHCよりも前にヒッグスボソンを観測可能か？
• RQ2 追加のSM家族は$WW^*$崩壊チャンネルにおけるヒッグスボソン生成断面積にどのように影響するか？
• RQ3 2 fb⁻¹および8 fb⁻¹の光度下で、SM-4、SM-5、SM-6におけるTevatronでの利用可能なヒッグス質量限界は何か？
• RQ4 第4族に存在する重いニュートリノの質量は、ヒッグスボソンの観測可能性にどのように影響するか？
• RQ5 Tevatronは、強化されたグルーオン融合または単一共鳴状態生成を介して第4族クォークのシグネチャを検出可能か？

主な発見

• 8 fb⁻¹の統合光度下では、Tevatronは140 GeV < $m_H$ < 200 GeVのヒッグス質量範囲においてSM-4の状況を除外または検証可能である。
• SM-5で$m_\nu \approx 50$ GeVの場合、8 fb⁻¹では150 GeV以上のヒッグス質量を、2 fb⁻¹では155 GeV以上のヒッグス質量をプローブ可能である。
• $m_\nu \approx 50$ GeVのSM-6*モデルは、165 GeVから185 GeVのヒッグス質量範囲で95% C.L.で除外される。
• 2 fb⁻¹の光度下では、Tevatronは不安定なニュートリノを有するSM-4（$m_H$ 150 GeV〜180 GeV）を除外または検証可能である。
• 第4SM族が存在する場合、LHCはゴールデンモード$H \to ZZ \to \ell\ell\ell\ell$を用いて全ヒッグス質量範囲をカバーすると予想される。
• 第4SM族が存在する場合、グルーオン融合によるヒッグス生成断面積は最大で約8倍に増大する。