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

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 75被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、シングレット拡張標準模型の文脈において、重いヒッグス bosonが2つのヒッグス bosonに崩壊する過程 H → hh を通じた共鳴的ヒッグスボソン対生成を検討する。その後、一方のヒッグスが bb̄ に、もう一方が WW → ℓ⁺νℓ⁻ν̄ に崩壊する。MT2 およびオンシェル再構成技術を用いて、14 TeV LHC において 3000 fb⁻¹ の統計量で、mH ≈ 260–400 GeV の範囲で 3σ の有意性が達成可能であることを示した。これは、重いヒッグス探索における 4b チャネルと補完的であることを示唆している。

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 $hh \ ightarrow b \\bar{b} WW \ ightarrow b \\bar{b} \\ell^+ \ u \\ell^- \\bar{\ u}$ 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$\\sigma$ 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

• シングレット拡張標準模型において、重いヒッグスボソン（H）が2つのヒッグスボソン（H → hh）に崩壊する経路を通じた共鳴的ヒッグスボソン対生成を研究すること。
• 14 TeV LHC における二重レプトン崩壊チャンネル hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄ の発見可能性を評価すること。
• 任意の BR(H → hh) に対して、H → hh、H → ZZ、H → WW 崩壊チャンネルの相補性を評価すること。
• ダークマター候補を含めるようにモデルを拡張した場合、直接検出およびリリック密度の制約を焦点に、モデルの妥当性を検討すること。

提案手法

• ヒッグスボソンと実スカラー・シングレットが混合角 α を介して混合するシングレット拡張標準模型を用いる。
• 二重レプトンWW崩壊チャンネルにおける見えないニュートリノ運動量の推定に、運動量変数 MT2 および MT2 を用いたオンシェル再構成を適用する。
• 主な t̄t 背景を抑制し、信号の有意性を向上させるために、選別カットおよび MT2 を用いたカットを実装する。
• 初期状態放射（ISR）ジェットを含む、信号および背景過程の詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 二重レプトン系のインバリアント質量および再構成されたヒッグス質量を用いて、背景からの信号の分離を図る。
• 14 TeV の中心系エネルギー下での 3000 fb⁻¹ の統計量を想定し、統計的手法を用いて有意性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 260–500 GeV のヒッグス質量範囲において、二重レプトン崩壊チャンネル hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄ は、共鳴的ヒッグス対生成の有効な発見チャンネルとなり得るか？
• RQ2 14 TeV LHC において 3000 fb⁻¹ の統計量で、H → hh 共鳴の検出にどの程度の有意性が達成可能か？
• RQ3 信号の有意性は、ヒッグス混合角および BR(H → hh) にどのように依存するか？
• RQ4 異なる BR(H → hh) 値において、H → hh、H → ZZ、H → WW 崩壊チャンネルの相補性はどのように変化するか？
• RQ5 ダークマター候補を含めるようにモデルを拡張した場合、現在の実験的制約と矛盾しないか？

主な発見

• 混合角が現在の実験的限界に近い場合、かつ BR(H → hh) ≈ 1 であれば、14 TeV LHC において 3000 fb⁻¹ の統計量で mH = 260–400 GeV の範囲で約 3σ の有意性が達成可能である。
• 混合角が小さい場合や BR(H → hh) が低い場合には、二重レプトンチャンネルだけでは不十分であり、類似の有意性に到達するには複数の崩壊チャンネルを組み合わせる必要がある。
• 二重レプトンチャンネルは mH = 260–500 GeV の質量範囲で最も効率的であり、mH > 500 GeV の場合により感度が高い 4b チャネルと補完的である。
• MT2 変数と見えない運動量のオンシェル再構成を組み合わせることで、二重レプトン最終状態における信号対背景比が顕著に向上する。
• ダークマター候補を含めるようにモデルを拡張しても、モデルは妥当性を保ち、次世代の直接検出実験がパラメータ空間の大部分を探索可能であると予想される。
• MT2 の上限は min{mW, mh/2} に制約され、見えない運動量がオンシェル仮定に基づいて再構成された際に最大の MT2 値が達成される。これは、このトポロジーにおいて MT2 の使用が正当化されることを裏付ける。