[論文レビュー] Search for doubly charged Higgs bosons through VBF at the LHC, and beyond

G. Bambhaniya, Joydeep Chakrabortty+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、LHCおよび将来のコライダーにおける最小左-右対称模型（MLRSM）におけるベクトルボソン融合（VBF）を介した二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの生成と検出を調査する。FCNCおよび真空安定性の制約にもかかわらず、モデルは1 TeV未満の二重に電荷を帯びたヒッグスボソン質量を許容するが、HL-LHC（14 TeV、3000 fb⁻¹）では感度が不足する。将来のFCC-hh（100 TeV）で3000 fb⁻¹の積分した光度を用いることで、有意水準が7以上となる1 TeVまでの質量を探索可能である。

ABSTRACT

Production and decays of doubly charged Higgs bosons at the LHC and future hadron colliders triggered by vector boson fusion mechanism are discussed in the context of the Minimal Left-Right Symmetric Model. Our analysis is based on the Higgs boson mass spectrum compatible with available constraints which include FCNC effects and vacuum stability of the scalar potential. Though the parity breaking scale $v_R$ is large ($\sim$ few TeV) and scalar masses which contribute to FCNC effects are even larger, consistent Higgs boson mass spectrum still allows us to keep doubly charged scalar masses below 1 TeV which is an interesting situation for LHC and future FCC colliders. We have shown that allowed Higgs bosons mass spectrum constrains the splittings ($M_{H_{1}^{\pm \pm}}-M_{H_{1}^\pm}$), closing the possibility of $H_{1}^{\pm\pm} o W_{1}^\pm H_{1}^\pm$ decays. Assuming that doubly charged Higgs bosons decay predominantly into a pair of same sign charged leptons through the process $p p ightarrow H_{1/2}^{\pm \pm} H_{1/2}^{\mp \mp} j j ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\pm} \ell^{\mp} \ell^{\mp} jj$, we find that for LHC operating at $\sqrt{s}=14$ TeV with an integrated luminosity at the level of $3000\,\mathrm{fb}^{-1}$ (HL-LHC) there is practically no chance to detect such particles at the reasonable significance level through this channel. However, 33 TeV HE-LHC and (or) 100 TeV FCC-hh open up a wide region for doubly charged Higgs boson mass spectrum to be explored. In FCC-hh, doubly charged Higgs bosons mass up to 1 TeV can be probed easily.

研究の動機と目的

• 二重に電荷を帯びたヒッグスボソンが最小左-右対称模型（MLRSM）においてベクトルボソン融合（VBF）を通じて検出可能かどうかを検討すること。
• フェルミオンカーブン・ニュートラルカレント（FCNC）、真空安定性、およびLEP/ATLASの制約がヒッグス質量スペクトルに与える影響を評価すること。
• 同じ符号の双レプトン最終状態に崩壊するVBF生成の二重に電荷を帯びたヒッグスボソンに対するLHCおよび将来のFCCコライダーの感度を評価すること。
• 同じ質量の二重に電荷を帯びたヒッグスボソンに対して、MLRSMにおける信号断面積とタイプ-IIシースウモデルにおけるものを比較し、区別可能性を評価すること。

提案手法

• FCNC、真空安定性、およびLEP/ATLASの制約を満たす一貫性のあるMLRSMにおけるヒッグス質量スペクトルを構築した。
• FeynRules（v2.0.31）を用いてMLRSMのラグランジュアンを実装し、モンテカルロシミュレーション用のモデルファイルを生成した。
• 信号およびバックグラウンド生成にALPGEN（v2.14）、MadGraph（v2.2.2）、PYTHIA（v6.421）を用い、現実的なカットを適用した。
• VBF特有のカット（例えば、大きなラピディティ差、前方のジェットの高いインヴァリアント質量）を適用して、VBFに類似したイベントを分離した。
• 最終状態 $pp \to H^{\pm\pm}H^{\mp\mp}jj \to \ell^\pm\ell^\pm\ell^\mp\ell^\mp jj$ の信号断面積と標準模型（SM）のバックグラウンドを計算した。
• 100 TeVでの積分光度が3000 fb⁻¹に達するまで、$S/\sqrt{B}$および$S/\sqrt{S+B}$の近似を用いて有意水準を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MLRSMは、FCNCおよび真空安定性の制約を満たしつつ、1 TeV未満の二重に電荷を帯びたヒッグスボソンを許容できるか？
• RQ2 $H^{\pm\pm}$の同じ符号レプトンへの分支比は何か？ また、$H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$の崩壊チャネルはそれに対してどのように影響を与えるか？
• RQ3 HL-LHC（14 TeV、3000 fb⁻¹）における同じ符号双レプトン最終状態でのVBF生成$H^{\pm\pm}$の検出可能性は何か？
• RQ4 VBFチャンネルにおける$H^{\pm\pm}$検出の5σ有意水準を達成するには、どのコライダー加速エネルギーと光度が必要か？
• RQ5 同じ$H^{\pm\pm}$質量について、MLRSMにおける信号断面積はタイプ-IIシースウモデルと比べてどの程度か？

主な発見

• MLRSMは、$v_R \sim \text{数 TeV}$であっても、FCNCおよび真空安定性の制約を満たしつつ、1 TeV未満の二重に電荷を帯びたヒッグスボソン質量を許容する。
• $M_{H^{\pm\pm}} - M_{H^{\pm}} < M_{W_1}$であるため、$H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$の崩壊が抑制され、同じ符号双レプトンへの崩壊が支配的になる。
• HL-LHC（$\sqrt{s} = 14$ TeV、$\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹）では、$H^{\pm\pm}$質量が500 GeV未満の範囲では有意な信号が期待されない。
• 33 TeVで700 fb⁻¹の光度を用いれば、$M_{H^{\pm\pm}} = 500$ GeVの状況で5σの有意水準が達成可能である。100 TeVで100 fb⁻¹の光度を用いれば、同様に$M_{H^{\pm\pm}} = 500$ GeVの状況で5σの有意水準が達成可能である。
• $M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeVの場合、100 TeVのFCC-hhで$\geq 1000$ fb⁻¹の光度がなければ5σの有意水準は達成できない。
• 100 TeVのFCC-hhで3000 fb⁻¹の光度を用いれば、$M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeVの状況で有意水準7が達成可能であり、1 TeVの質量範囲を完全に探索可能となる。