[論文レビュー] Resonant Higgs boson pair production in the $hh ightarrow b\bar{b} \; WW ightarrow b\bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel

Víctor Martín Lozano, J. M. Moreno+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、14 TeV LHCにおける重いスカラー・シングレットを介した共鳴的ヒッグスボソン対生成、$hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ の崩壊チャンネルを検討する。$M_{\rm T2}$ や非可視運動量のオンシェル再構成といった運動量変数を用い、混合角が現在の実験的限界に近い場合かつ $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$ のとき、3000 fb$^{-1}$ の統計的積算で $m_H = 260$–400 GeV の範囲で約3$\sigma$ の有意性が達成可能であることを示している。このチャンネルは、重いヒッグスボソンに対して4$b$最終状態と補完的である。

ABSTRACT

Adding a scalar singlet provides one of the simplest extensions of the Standard Model. In this work we briefly review the latest constraints on the mass and mixing of the new Higgs boson and study its production and decay at the LHC. We mainly focus on double Higgs production in the $hh ightarrow b \bar{b} WW ightarrow b \bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel. This decay is found to be efficient in a region of masses of the heavy Higgs boson of 260 - 500 GeV, so it is complementary to the 4$b$ channel, more efficient for Higgs bosons having masses greater than 500 GeV. We analyse this di-leptonic decay channel in detail using kinematic variables such as $M_{ m T2}$ and the $M_{ m T2}$-assisted on-shell reconstruction of invisible momenta. Using proper cuts, a significance of $\sim$ 3$σ$ for 3000 fb$^{-1}$ can be achieved at the 14 TeV LHC for $m_H$ = 260 - 400 GeV if the mixing is close to its present limit and ${ m BR}(H ightarrow hh) \approx 1$. Smaller mixing values would require combining various decay channels in order to reach a similar significance. The complementarity among $ H ightarrow hh$, $ H ightarrow ZZ$ and $ H ightarrow WW$ channels is studied for arbitrary ${ m BR}(H ightarrow hh)$ values.

研究の動機と目的

• 14 TeV LHCにおける $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ の崩壊チャンネルにおける共鳴的二重ヒッグス生成を研究すること。
• 重いスカラーシンギュレットが二つのヒッグスボソンに崩壊する場合の、この二レプトン最終状態の感度を評価すること。
• 任意の分支比に対して、このチャンネルが $H \to ZZ$ および $H \to WW$ 崩壊モードとどのように補完的であるかを評価すること。
• 運動量変数 $M_{\rm T2}$ や非可視ニュートリノ運動量のオンシェル再構成を用いて、信号とバックグラウンドの分離を最適化すること。

提案手法

• 研究では、重いヒッグスボソン $H$ が標準模型ヒッグスと混合し、$hh$ に崩壊するスカラーシンギュレット拡張モデルを採用する。
• 全イベント再構成を用いて $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ の崩壊チェーンを分析し、$M_{\rm T2}$ および非可視ニュートリノ運動量の $M_{\rm T2}$-補正付きオンシェル再構成を実施する。
• 運動量保存則と横方向運動量のバランスを満たすために、関係式 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T} + \mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T} + \mathbf{u}_{\rm T} = \mathbf{0}$ を用いた運動的制約を適用する。
• $M_{\rm T2}$ 変数を主な識別子として用い、その最大値は $\min\{m_W, m_h/2\}$ で制限され、横方向のブーストに応じて $\delta\mathbf{u}_{\rm T}$ を用いて補正を行う。
• 信号の有意性は、現実的なカットと3000 fb$^{-1}$ の統計的積算を仮定し、$\text{BR}(H \to hh) \approx 1$ および混合角が現在の実験的限界に近い条件で評価する。
• 異なる分支比の下で $H \to hh$、$H \to ZZ$、$H \to WW$ 崩壊モードの相乗的効果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV LHCにおける $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 崩壊チャンネルは、共鳴的ヒッグス対生成の有効なシグネチャを提供できるか？
• RQ2 3000 fb$^{-1}$ の統計的積算で、この最終状態における二つのヒッグスボソンに崩壊する重いスカラーシンギュレットの検出に達成可能な有意性は何か？
• RQ3 $M_{\rm T2}$ および非可視運動量のオンシェル再構成は、このチャンネルにおける信号対バックグラウンド比の向上にどの程度効果的か？
• RQ4 異なるヒッグスボソン質量に対して、このチャンネルは4$b$最終状態と比較してどの程度感度に優れているか？
• RQ5 任意の分支比において、$H \to hh$、$H \to ZZ$、$H \to WW$ 崩壊モードの間にはどのような相乗的関係があり、補完的であるか？

主な発見

• 混合角が現在の実験的限界に近い場合かつ $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$ のとき、14 TeV LHCにおける3000 fb$^{-1}$ の統計的積算で、$m_H = 260$–400 GeV の範囲で約3$\sigma$ の有意性が達成可能である。
• $b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 崩壊チャンネルは、質量範囲260–500 GeVの重いヒッグスボソンに対して最も効率的であり、$m_H > 500$ GeV の場合に優位な4$b$最終状態と補完的である。
• $M_{\rm T2}$ 変数およびそのオンシェル再構成技術は、適切な運動的カットと組み合わせることで、バックグラウンドを効果的に抑制し、信号感度を向上させる。
• $M_{\rm T2}$ の最大値は $\min\{m_W, m_h/2\}$ で制限され、横方向運動量バランス条件 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T}^\text{maos} = - (\mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T}^\text{maos})$ が満たされたときに $M_{\rm T2} = m_h/2$ が達成される。
• 混合角が小さいと信号の有意性が低下するため、同等の感度に到達するには他の崩壊チャンネルと組み合わせる必要がある。
• 本研究では、$H \to hh$、$H \to ZZ$、$H \to WW$ 崩壊モードが広い分支比範囲で補完的であり、全体の発見可能性を向上させることを確認した。