[論文レビュー] Searching for Signs of the Second Higgs Doublet

Nathaniel Craig, Jamison Galloway+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 119

ひとこと要約

本稿は、発見された標準模型に類似したヒッグスのカップリングを用いて、2つのヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）における第二のヒッグスダブルレットの探索戦略を開発する。光るヒッグスのカップリングが標準模型の予測値から数パーセント以内にある場合、$H\to hh$ および $A\to Zh$ が主要な発見チャンネルであると特定し、カップリングが非常に標準模型に類似している場合、$\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$ の崩壊が、特に重要なプローブとなる。

ABSTRACT

The search for evidence of extended electroweak symmetry breaking has entered a new phase with the discovery of a Standard Model (SM)-like Higgs at the LHC. The measurement of Higgs couplings and direct searches for additional scalars provide complementary avenues for the discovery of new degrees of freedom. This complementarity is particularly sharp in two Higgs doublet models (2HDMs) where the couplings of the SM-like Higgs may be directly related to the LHC signals of additional scalars. In this work we develop a strategy for searching for the second Higgs doublet given the LHC signals of the recently discovered SM-like Higgs. We focus on a motivated parameter space of flavor- and CP-conserving 2HDMs in which the couplings of all scalars to SM states are controlled by two parameters. We construct fits in this parameter space to the signals of the SM-like Higgs and translate these fits into signal expectations for future measurements of both the SM-like Higgs and additional scalars, identifying the most promising search channels for discovery or exclusion of new physics. When kinematically accessible, decays of the heavy neutral scalar Higgs to two light Higgs scalars, $H o hh$, and decays of the pseudoscalar Higgs to a light Higgs scalar and $Z$ boson, $A o Zh$, provide promising avenues for discovery even when the couplings of the light Higgs are within a few percent of SM predictions. When the couplings of the light Higgs are exceptionally close to those of the SM, decays of heavier neutral scalars to $γγ$ and $τ^+ τ^-$ become particularly important for discovery.

研究の動機と目的

• 標準模型に類似したヒッグスのカップリングを、フレーバーおよびCP対称性を保つ2HDMにおける追加スカラーへのカップリングにマッピングすること。
• 2HDMのパrameter空間における新しい物理の発見または除外のための最も感受性の高い探索チャンネルを同定すること。
• LHCが標準模型に類似したヒッグスに対して得たデータを活用し、特に軽いヒッグスのカップリングが標準模型に非常に近い場合に、より重いヒッグス状態の信号を予測すること。
• 将来のLHC測定の文脈において、$H\to hh$、$A\to Zh$、および $\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$ の崩壊の発見可能性を評価すること。
• 相関するヒッグス信号を用いた、標準模型を越える新しい物理を探索するための予測フレームワークを提供すること。

提案手法

• ATLAS、CMS、CDF、DØのLHCデータを用いて、信号強度修正因子 $\hat{\mu}$ と生成効率 $\zeta^{(G,V,T)}$ を用いて、標準模型に類似したヒッグスのグローバルフィットを構築する。
• すべてのカップリングを制御する2つの混合角を持つ、物理的に妥当な2HDM部分空間に注目し、木レベルのFCNCやCP違反を回避する。
• 標準模型に類似したヒッグスのカップリングのフィット結果を、追加スカラー（$H$, $A$, $H^{\pm}$）の生成および崩壊率への予測に変換する。
• 主なチャンネルにおける信号強度予測を通じて発見可能性を評価する：$H\to hh$、$A\to Zh$、$\gamma\gamma$、$\tau^+\tau^-$、および $b\bar{b}$。
• 7、8、14 TeVのランの実験データを用いて2HDMパrameter空間を制約し、将来の発見領域を予測する。
• 統計的手法を用いて、統合されたLHCおよびテバトロンデータから最適フィットの信号強度と不確実性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMにおける第二のヒッグスダブルレットを検出するための、追加スカラーの生成および崩壊チャンネルの中で、どのチャンネルが最も感受性が高いか？
• RQ2 標準模型に類似したヒッグスのカップリングからの制約が、より重いヒッグス状態の信号にどのように反映されるか？
• RQ3 軽いヒッグスのカップリングが標準模型の予測値から数パーセント以内にある場合、最も有望な発見チャンネルは何か？
• RQ4 軽いヒッグスのカップリングが標準模型の値に極めて近い場合、発見可能性はどのように変化するか？
• RQ5 他のチャンネルが抑制されている場合、$\gamma\gamma$ や $\tau^+\tau^-$ のようなレア崩壊が、2HDMパrameter空間の探査に果たす役割は何か？

主な発見

• 軽いヒッグスのカップリングが標準模型の予測値から数パーセント以内にある場合、$H\to hh$ の崩壊チャンネルは強力な発見信号を提供する。
• 同様の条件下で、$A\to Zh$ の崩壊は、$Z$ ボソンと標準模型に類似したヒッグスを伴うクリアなシグネチャを提供するため、非常に有望な発見チャンネルである。
• 軽いヒッグスのカップリングが標準模型の値に極めて近い場合、より重い中性スカラーの $\gamma\gamma$ および $\tau^+\tau^-$ 崩壊が、最も感受性の高いプローブとなる。
• $H\to hh$ チャンネルにおける $\gamma\gamma$ の信号強度予測は、(ec)設定で $\hat{\mu} \approx 10.39$ に達し、高い発見可能性を示している。
• 高質量のジジェットタグ付き $\gamma\gamma$ チャンネルでは、信号強度が $\hat{\mu} = 2.76^{+1.73}_{-1.35}$ に達し、重いヒッグス崩壊に対する感受性があることを示している。
• $\gamma\gamma$ チャンネルにおける運動量欠損（$E_T^{\rm miss}$）の場合は、$\hat{\mu} = 2.98^{+2.70}_{-2.15}$ となり、高運動量欠損状態における新しい物理の発見可能性が浮き彫りになっている。