[論文レビュー] Projections for Two Higgs Doublet Models at the LHC and ILC: A Snowmass White Paper

Chien-Yi Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、現在および将来のヒッグス信号強度測定と重いヒッグスボソン探索を用いて、LHCおよびILCが2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）に対して示す感度を予測している。LHCとILCのデータ—特に300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の積分放射線量におけるデータ—は互いに補完的であり、ILCが250–1000 GeVで大きなtanβ領域に対してより厳密な制約を与える一方、LHCの重いヒッグスボソン探索は低tanβパラメータ空間を強く制限することが示された。

ABSTRACT

The discovery of the 125 GeV Higgs boson and the measurement of its branching ratios has initiated the exploration of the electroweak symmetry breaking sector. There have been numerous studies exploring the restrictions these results place on the parameter space of two Higgs doublet models. We extend these results to include the full data set and study the expected sensitivity that can be obtained with 300 and 3000 inverse femtobarn of integrated luminosity. In addition, searches for a heavy Standard Model Higgs boson are also considered. It is shown that the nonobservation of such a Higgs boson can substantially narrow the allowed regions of parameter space in two Higgs doublet models. Finally, projections for the ILC at the center of mass energy 250, 500, and 1000 GeV are investigated.

研究の動機と目的

• 300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の積分放射線量を想定した現在および将来のLHCデータを用いて、2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）のパラメータ空間に対する制約を評価すること。
• 国際線形加速器（ILC）が√s = 250、500、および1000 GeVで2HDMに対して示す感度を評価すること。特にヒッグスカップリングおよび重いヒッグスボソン探索の文脈で検討する。
• 個々の実験が弱い感度を示す領域において、LHCとILCが2HDMパラメータ空間をどのように補完的に探査できるかを調査すること。
• LHCで重い標準模型ヒッグスボソンが観測されなかったという事実が、2HDMの許容パラメータ領域を著しく狭める方法を検討すること。
• 信号強度測定とカップリングパターンに基づいて、4種類の2HDM（タイプI、II、レプトン特異的、フラッピング）の間で制約を包括的に比較すること。

提案手法

• 標準模型（SM）の予測が正しいものと仮定し、ATLAS、CMS、およびテバトロンの測定されたヒッグス信号強度に対してカイ二乗フィットを実施。誤差は放射線量に比例して1/√Nにスケーリングする。
• 標準模型ヒッグスカップリングを基準とし、deviationsはcos(β−α)およびtanβでパrameter化。各2HDMタイプに対して表1および表2のカップリングパターンを適用。
• LHCの感度を300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹に予測する際、現在の実験的不確実性を√(放射線量)に比例してスケーリングし、CMSの高放射線量予測における「スキーム2」の手法に従う。
• ILCの感度を√s = 250、500、および1000 GeVで予測し、ヒッグスカップリングの高精度測定および重いヒッグスボソンの発見可能性に焦点を当てる。
• LHCの標準模型ヒッグスボソン探索を、特にM_H = 200 GeVの場合に2HDMにおける重いヒッグスボソン探索に再解釈し、パラメータ空間に対する制約を評価する。
• LHCおよびILCの予測を統合した95%信頼水準の等高線を用いて、各2HDMタイプの(cos(β−α), tanβ)平面における許容パラメータ空間を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の予測LHC放射線量は、現在のデータと比較して2HDMパラメータ空間に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ2 ILCが250、500、および1000 GeVで異なる2HDMタイプに対して示す感度は何か？また、LHCの制約と比較するとどうなるか？
• RQ3 LHCにおける重いヒッグスボソン探索は、特に低tanβにおいて2HDMの許容パラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どの領域の(cos(β−α), tanβ)平面において、LHCとILCが補完的な制約を提供するか？
• RQ5 4種類の2HDMタイプ（I、II、レプトン特異的、フラッピング）において、制約はどのように異なるか？特に大および小tanβ領域において。

主な発見

• 200 GeVの重いヒッグスボソンを伴うタイプI 2HDMでは、重いヒッグスボソン探索の制約を組み込むことで、信号強度測定のみの場合と比較して許容パラメータ空間が2倍以上に縮小される。
• 低tanβ（tanβ < 4）では、LHCの重いヒッグスボソン探索による制約が最も厳しく、一方でLHCおよびILCのカップリング測定はこの領域では効果が薄い。
• 大tanβ領域では、ILCの250 GeV（ILC2）および1000 GeV（ILC3）の予測が、LHCの軽いヒッグスボソン測定よりもきめ細やかな制約を提供する。特にタイプIおよびレプトン特異的モデルにおいて顕著である。
• タイプIIおよびフラッピングモデルでは、bクォークへのカップリングg_hbb = sinα/cosβが√(1 + tan²β)に比例して増大するため、大tanβ領域で強い制約が得られ、両モデルは類似した制約を受ける。
• タイプIIおよびフラッピングモデルの(cos(β−α), tanβ)平面における許容領域はcos(β−α) = 1の周辺に集中しており、tanβが増加するにつれてbクォークカップリングの制約が強化され、著しく狭まる。
• 1000 GeVでのILC（ILC3）は、特にタイプIおよびレプトン特異的モデルにおいて、大tanβ領域で最も厳しい制約を提供しており、高エネルギーでの高精度測定の重要性を示している。