[論文レビュー] The Higgs Portal Above Threshold

Nathaniel Craig, Hou Keong Lou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、ヒッグスボソン質量の半分を超える質量を持つ重いヒッグスポータルスカラの発見可能性を、LHCおよび将来の100 TeVハドロン衝突機で調査しており、オンシェルヒッグス崩壊生成が不可能になるという挑戦的な領域に焦点を当てている。ヒッグスボソンの非オンシェル生成（例：ベクトルボソン融合、モノジェット、トップクォーク対生成）を用いて、主要な新物理のシナリオにおける感度を予測し、100 TeV衝突機がヒッグスカップリング測定からの先行兆候がなくても、電弱ビアロジェネシス、ダークマター、ネイチャラリティに関連する重要なパラメータ空間の領域を探索可能であることを示している。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson opens the door to new physics interacting via the Higgs Portal, including motivated scenarios relating to baryogenesis, dark matter, and electroweak naturalness. We systematically explore the collider signatures of singlet scalars produced via the Higgs Portal at the 14 TeV LHC and a prospective 100 TeV hadron collider. We focus on the challenging regime where the scalars are too heavy to be produced in the decays of an on-shell Higgs boson, and instead are produced primarily via an off-shell Higgs. Assuming these scalars escape the detector, promising channels include missing energy in association with vector boson fusion, monojets, and top pairs. We forecast the sensitivity of searches in these channels at $\sqrt{s} = 14$ & 100 TeV and compare collider reach to the motivated parameter space of singlet-assisted electroweak baryogenesis, Higgs Portal dark matter, and neutral naturalness.

研究の動機と目的

• ヒッグスポータルに接続された実スカラーダウトがヒッグスボソン質量の半分を超える領域（$m_\phi > m_h/2$）でオンシェルヒッグス崩壊生成が不可能になる場合に、そのコライダー・シグネチャを体系的に評価すること。
• ベクトルボソン融合、モノジェット、トップクォーク対生成などの検出チャネルを特定・最適化し、欠落エネルギーのシグネチャを介してこれらの重いスカラを検出すること。
• 14 TeV LHCおよび将来の100 TeVハドロン衝突機が、電弱ビアロジェネシス、ヒッグスポータルダークマター、ニュートラルネイチャラリティを含む、動機付けられた新物理シナリオにおける発見および除外領域を評価すること。
• 有効場理論の限界を超えて、グルーオン関連生成における非摂動的効果を正しく扱うために、一次元HEFTモンテカルロシミュレーションを再重みティングすること。
• 正確なヒッグスカップリング測定からのずれがない状況でも、100 TeV衝突機が重いヒッグスポータル状態を発見または除外できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 実スカラーダウトが標準模型ヒッグスと演算子 $|H|^2 \phi^2$ を介して結合するヒッグスポータルモデルを分析し、スカラが混合を避けるために $Z_2$ 対称性によって保護されていることを仮定する。
• スカラ対がオンシェルヒッグス崩壊で生成できない領域 $m_\phi > m_h/2$ に注目し、代わりに非オンシェルヒッグスボソン生成（$pp \to h^* + X \to \phi\phi + X$）に依存する。
• グルーオンおよびトップクォーク関連生成のための一次元HEFTモンテカルロシミュレーションを用い、有効場理論近似からのずれを補正する再重みティングを実施する。
• 14 TeVおよび100 TeVでのベクトルボソン融合、モノジェット、トップクォーク対関連生成における欠落エネルギー最終状態の感度を予測する。
• 熱的ポテンシャル計算に赤外発散の再結合を組み込み、動機付けられたモデル（スカラ支援電弱ビアロジェネシス、ヒッグスポータルダークマター、ニュートラルネイチャラリティ）と照合してパラメータ空間を評価する。
• 特に、100 TeV機がヒッグスカップリング測定からの先行兆候がなくても、パラメータ空間の領域を探索可能かどうかを理論的モデルと照合して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンシェルヒッグス崩壊生成が運動的に不可能な場合（$m_\phi > m_h/2$）、重いヒッグスポータルスカラの支配的コライダー・シグネチャは何か？
• RQ2 14 TeV LHCおよび将来の100 TeVハドロン衝突機における、異なる関連生成モードにおけるこれらの重いスカラの感度は、どのように比較できるか？
• RQ3 正確なヒッグスカップリング測定からのずれがない状況でも、100 TeV衝突機は電弱ビアロジェネシス、ダークマター、ニュートラルネイチャラリティに動機づけられたパラメータ空間のヒッグスポータルを探索可能か？
• RQ4 グルーオン関連生成における非摂動的効果は、発見領域の正確な予測にどのように影響を与え、有効場理論の限界を超えて必要な補正は何か？
• RQ5 非オンシェル領域における重いヒッグスポータルスカラの発見に最も高い感度を示す最終状態は、ベクトルボソン融合、モノジェット、またはトップクォーク対のうちどれか？

主な発見

• 100 TeVハドロン衝突機は、ヒッグスカップリング測定からの先行兆候がなくても、電弱ビアロジェネシス、ダークマター、ニュートラルネイチャラリティに強く動機づけられたパラメータ空間の領域を探索可能である。
• $m_\phi \lesssim 200$ GeV の範囲では、100 TeV機は正確なヒッグスカップリング測定からのずれがない状況でも、高質量ヒッグスポータル状態を発見可能であり、その範囲では円形 $e^+e^-$衝突機の到達域を上回る。
• ベクトルボソン融合が100 TeVでの重いヒッグスポータルスカラ検出において最も有望なチャネルであるが、グルーオンおよびトップクォーク関連生成も有意な感度を寄与している。
• 本研究は、非オンシェル領域では有効場理論近似が破綻するため、一次元HEFTモンテカルロシミュレーションの再重みティングがグルーオン関連生成を正確にモデル化するために不可欠であることを示している。
• 14 TeVでは感度は限定的であるが、LHCのRun 2期間に最適化された探索が継続される価値がある。
• オンシェルヒッグス崩壊が運動的に不可能であっても、非オンシェルヒッグス生成メカニズムが発見に有効であることが示されており、重いシングレットスカラを探索する上で重要なチャネルである。