[論文レビュー] Ruling out a 4th generation using limits on hadron collider Higgs signals

John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|May 19, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、トゥエバートロンおよびLHCにおける二光子およびWW/ZZ崩壊チャンネルにおけるHiggs信号の増強が観測されないことは、Higgsボソンが標準模型に類似した性質を示し、200 GeV未満の質量を持つ場合、フェルミオンの第4世代が存在しないことを排除することを示している。解析により、特に第4世代モデルにおける$ R_{WW} \geq 6.5 $という信号率の上限が実験データと矛盾することから、このような状況は現在の加速器の制約と整合しないことが明らかになった。

ABSTRACT

We consider the impact of a 4th generation on Higgs to $γγ$ and $WW,ZZ$ signals and demonstrate that the Tevatron and LHC have essentially eliminated the possibility of a 4th generation if the Higgs is SM-like and has mass below 200 GeV. We also show that the absence of enhanced Higgs signals in current data sets in the $γγ$ and $WW,ZZ$ final states can strongly constrain the possibility of a 4th generation in two-Higgs-doublet models of type II, including the MSSM.

研究の動機と目的

• 標準模型および2HDM（2Higgs二重項模型）ならびにMSSMを含めた文脈において、第4世代のフェルミオンの実現可能性を評価すること。
• LHCおよびTevatronのHiggs崩壊率に関する現在のデータ、特に$\gamma\gamma$および$WW/ZZ$チャンネルへの崩壊が、第4世代の存在をどのように制限するかを評価すること。
• これらの崩壊チャンネルにおける信号増強の欠如が、第4世代または逐次的$W^\prime$ボソンの存在を除外するかどうかを特定すること。
• 特に拡張されたHiggs系を有する状況において、$R_{\gamma\gamma}$および$R_{WW}$が新しい物理を探索するのにどれほど頑健なプローブであるかを検討すること。
• 観測された信号率の上限に基づき、$L \sim 131~\text{pb}^{-1}$のデータから第4世代のパラメータ空間に対する定量的制約を提示すること。

提案手法

• 観測された信号率とSM予測値との比を表す信号率比$ R_X^h = [\Gamma_{gg}^h \cdot BR(h \to X)] / [\Gamma_{gg}^{h_{\text{SM}}} \cdot BR(h_{\text{SM}} \to X)] $を定義し、比較する。
• 有効場理論およびループ計算を用いて、第4世代フェルミオンおよび$W^\prime$ボソンの寄与を含めたHiggs結合および崩壊率を計算する。
• MSSMに第4世代を含めた場合のHiggs質量および branching 比を計算するために、拡張されたソフト破れパラメータを有するHDECAY 3.60パッケージを用いる。
• 重い超対称スパートICLESを仮定したもとで、第4世代フェルミオンおよび超フェルミオンが$\Gamma_{gg}^{h,A}$、$BR(h,A \to \gamma\gamma)$、および$BR(h \to WW)$に与える影響を分析する。
• ATLASおよびCDF/D0の95%信頼水準における実験的上限と理論的予測値である$R_{\gamma\gamma}^{h,A}$および$R_{WW}^{h}$を比較する。
• 特に$W^\prime$およびSUSY寄与に対して$R_{\gamma\gamma}^{A}$および$R_{WW}^{h}$がどれほど頑健であるかを評価し、$W^\prime$ボソンは木レベルで$A$に結合しないことに注意する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二光子およびWW/ZZチャンネルにおけるHiggs信号の増強が観測されないことは、フェルミオンの第4世代を除外することができるか？
• RQ2 第4世代が存在する場合、標準模型に類似したHiggsの$R_{\gamma\gamma}$および$R_{WW}$の予測された信号率増幅はどの程度か？
• RQ3 現在の$R_{\gamma\gamma}$および$R_{WW}$の実験的上限は、第4世代を含むMSSMおよび非標準的$\tan\beta$値に対して、どのように制限を加えるか？
• RQ4 $R_{\gamma\gamma}^{A}$および$R_{WW}^{h}$が、$W^\prime$やSUSY効果に依存しない形でMSSMにおける第4世代の探査にどれほど頑健なプローブであるか？
• RQ5 将来のLHCデータにおいて、より高いフルエンスを用いた$R_{\gamma\gamma}$および$R_{WW}$測定によって、第4世代の状況が除外可能か？

主な発見

• 標準模型に類似したHiggsが200 GeV未満の場合、第4世代モデルでは予測される$R_{WW} \geq 6.5$が、$m_h \in [110,200]$ GeVの範囲でTevatronの95%信頼水準における上限$R_{WW} \leq 0.64$と矛盾し、第4世代が除外される。
• 全幅が大きいことから、$\gamma\gamma$チャンネルはやや曖昧であるが、第4世代モデルでは$ m_h \leq 130 $ GeVの範囲で$ R_{\gamma\gamma} \sim 4 $が予測され、これは現在のデータと整合しない。
• MSSMにおいては、$ m_A < 2m_W $のとき$ R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 6.5 $であり、$ m_A > 2m_W $のとき$ R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 100 $であるが、両者とも$ m_A \lesssim 150 $ GeVの範囲で現在のデータによってすでに除外されている。
• $ m_A \geq 200 $ GeVのとき、MSSMにおける第4世代を含むモデルでは$ R_{WW}^{h} \geq 2.4 $が予測され、十分なフルエンスがあればLHCでテスト可能である。
• $W^\prime$ボソンは$R_{\gamma\gamma}^{A}$にほとんど影響を与えず、$R_{WW}^{h}$に対してもわずかな効果しか与えないため、これらの観測量は第4世代の探査に頑健なプローブである。
• Higgsが観測されない場合でも、$R_{\gamma\gamma}^{A}$および$R_{WW}^{h}$は、新しい粒子の直接検出がなくてもMSSMにおける第4世代を排除する強力なツールのままである。