[論文レビュー] Prospects for direct searches for light Higgs bosons at the ILC with 250 GeV

P. Drechsel, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、250 GeVで運転する国際線形衝突型加速器（ILC）における、軽量ヒッグスボソンの直接検出可能性を評価している。$\phi \to b\bar{b}$崩壊モードと、崩壊モードに依存しないリコイル技術の両方を用いる。500 fb⁻¹の統計的精度と偏光を有するビームを用いることで、LEPに比べて、ゲージボソンへの結合が抑制された軽量ヒッグスボソンに対する感度が10倍以上向上し、HL-LHCの間接的感度をも上回る。

ABSTRACT

The particle discovered in the Higgs boson searches at the LHC with a mass of about 125 GeV is compatible within the present uncertainties with the Higgs boson predicted in the Standard Model (SM), but it could also be identified with one of the neutral Higgs bosons in a variety of Beyond the SM (BSM) theories with an extended Higgs sector. The possibility that an additional Higgs boson (or even more than one) could be lighter than the state that has been detected at 125 GeV occurs generically in many BSM models and has some support from slight excesses that were observed above the background expectations in Higgs searches at LEP and at the LHC. The couplings between additional Higgs fields and the electroweak gauge bosons in BSM theories could be probed by model-independent Higgs searches at lepton colliders. We present a generator-level extrapolation of the limits obtained at LEP to the case of a future $e^+e^-$ collider, both for the search where the light Higgs boson decays into a pair of bottom quarks and for the decay-mode-independent search utilising the recoil method. We find that at the ILC with a c.m. energy of 250 GeV, an integrated luminosity of 500 fb^{-1} and polarised beams, the sensitivity to a light Higgs boson with reduced couplings to gauge bosons is improved by more than an order of magnitude compared to the LEP limits and goes much beyond the projected indirect sensitivity of the HL-LHC with 3000 fb^{-1} from the rate measurements of the detected state at 125 GeV.

研究の動機と目的

• ILCにおける、拡張されたヒッグスセクターを持つBSM理論における軽量ヒッグスボソンの直接探索感度を評価すること。
• LEPおよびLHCで弱い結合ゆえに検出されなかった、$W/Z$ボソンへの結合が抑制された軽量ヒッグスボソンの検出困難性という課題に対処すること。
• ILCのクリーンな環境、偏光ビーム、および高流量が、HL-LHCの間接的プローブに比べて、軽量ヒッグスボソンに対する優れた感度を実現できることを示すこと。
• 両方の $\phi \to b\bar{b}$ およびリコイルベース探索戦略について、ジェネレータレベルのシミュレーションを用いてLEPの限界をILCに外挿する手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 同じ分析手法をLEPで用いたのと同様に、ジェネレータレベルでのLEP限界の外挿を実行し、ILCの感度を推定する。
• 本研究では2つの探索戦略を採用する：(1) $\phi \to b\bar{b}$ 崩壊モードと (2) 崩壊モードに依存しないリコイル法、両者ともヒッグスストレーリング過程 $e^+e^- \to Z\phi$ に基づく。
• ILCへの外挿において、信号効率および検出器効果を補正するため、LEPデータから正規化係数 $c_{\rm bb}$ と $c_{\rm recoil}$ を導出する。
• ILCの条件は、$\sqrt{s} = 250$ GeV、$P_{e^-} = -80\%$、$P_{e^+} = +30\%$、統合流量500 fb⁻¹としてモデル化され、保守的な見積もりとされる。
• 両方の $\phi \to b\bar{b}$ およびリコイルベース探索に対して、既知のLEP限界を再現することで、手法の妥当性を検証する。
• 追加のヒッグスボソンの結合が抑制されるという期待を正当化するために、和則 $\sum_i (g_{\phi_i VV})^2 = (g^{\rm SM}_{HVV})^2$ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCが $\sqrt{s} = 250$ GeVで運転する場合、$W/Z$ボソンへの結合が抑制された軽量ヒッグスボソンに対して、LEPに比べて顕著に向上した感度を達成できるか？
• RQ2 軽量ヒッグスボソンに対して、ILCの直接探索感度は、HL-LHCのヒッグス率測定からの間接的感度と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 分岐比が未知の状況下でも、ILCにおけるリコイル法が、崩壊モードに依存せずに軽量ヒッグスボソンをどの程度まで探査できるか？
• RQ4 ILCの偏光ビームと高精度環境が、ハドロン衝突型加速器よりも軽量ヒッグスボソンの発見領域を拡大できるか？
• RQ5 ILCの直接探索感度は、HL-LHCにおける125 GeVヒッグスボソンの精度測定から得られる間接的感度を上回るか？

主な発見

• ILCが $\sqrt{s} = 250$ GeVで運転し、500 fb⁻¹の流量と偏光ビームを有する場合、ゲージボソンへの結合が抑制された軽量ヒッグスボソンに対する感度が、LEPの限界に比べて10倍以上向上する。
• ILCの直接探索感度は、3000 fb⁻¹の最終流量が予想されるHL-LHCの間接的感度をも上回る。
• ILCの $\phi \to b\bar{b}$ 崩壊モード探索の感度は、ILC自身が125 GeVヒッグスボソンの$Z$ボソンへの結合を精度測定する間接的感度を上回る。
• ILCにおけるリコイルベース探索法は、間接的ILC感度と同等の感度を達成し、潜在的な過剰信号の性質を特定するための補完的情報を提供する。
• 本手法は、$\phi \to b\bar{b}$ およびリコイルベース探索の両方で、既知のLEP限界を正確に再現でき、ILCへの外挿手法の妥当性を検証した。
• 質量範囲60–100 GeVにおいて、ILCの直接探索感度は、NMSSM、N2HDM、および軽量シングレットを有する2HDMのようなモデルで好ましいとされるパラメータ領域を探索可能と予想される。