[論文レビュー] The Hunt for the Rest of the Higgs Bosons

Nathaniel Craig, Francesco D’Eramo+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 64被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、標準模型を越える追加のヒッグスボソンを発見するためのLHC探索チャンネルを3つ特定している：(1) 重いスカラーまたは擬スカラーがトップクォークに崩壊する生成過程、(2) 重いヒッグスが $b\bar{b}$ や非可視崩壊を伴う関連生成、(3) 帯電ヒッグスが $\bar{t}b$ に崩壊する $t\bar{b}$ に関連した生成。これらのチャンネルは、特に125 GeVのヒッグスが標準模型ヒッグスに非常に近い「アライメント限界」の条件下で、拡張されたヒッグス系における単一生成モードを包括的にカバーする。

ABSTRACT

We assess the current state of searches at the LHC for additional Higgs bosons in light of both direct limits and indirect bounds coming from coupling measurements of the Standard Model-like Higgs boson. Given current constraints, we identify and study three LHC searches that are critical components of a comprehensive program to investigate extended electroweak symmetry breaking sectors: production of a heavy scalar or pseudoscalar with decay to $t \bar t$; $b \bar b$ and $t \bar t$ associated production of a heavy scalar or pseudoscalar with decay to invisible final states; and $t \bar b$ associated production of a charged Higgs with decay to $\bar t b$. Systematic experimental searches in these channels would contribute to robust coverage of the possible single production modes of additional heavy Higgs bosons.

研究の動機と目的

• 拡張された電弱対称性の自発的破れ系における追加のヒッグスボソンを発見するための、最も感受性が高く包括的なLHC探索チャンネルを同定すること。
• 現在の探索では、標準模型ゲージボソンやフェルミオンへの結合が抑制されたヒッグスボソンが見逃されるというギャップを解消すること、特にアライメント限界の状況下で。
• 将来のLHCラン2の探索を支援するため、重いヒッグス状態の単一生成モードを体系的にカバーするシグネチャを優先すること。
• 125 GeVのヒッグスボソンの結合測定結果を活用し、新しいヒッグス状態の探索戦略を制約および指針づけること。
• 2HDM や実スカラーモデルのようなモデルにおけるパラメータ空間を、標準的な探索モードを避けがちな新しいヒッグスボソンが存在する場合でも、堅牢にカバーすること。

提案手法

• 標準模型フェルミオンおよびボソンの最終状態を持つ追加ヒッグス状態を想定し、簡略化モデルを用いて潜在的なヒッグス探索シグネチャを分類する。
• 125 GeVのヒッグスがほぼ標準模型に類似しているという理論的指針としてのアライメント限界を用い、追加ヒッグスボソンの結合を制約する。
• 実スカラーや2HDMモデルのような状況で、標準模型ゲージボソンへの結合が抑制されていると仮定し、重いヒッグスボソンの生成および崩壊モードを分析する。
• 3つの主要なLHC探索チャンネルに焦点を当てる：$pp \to H/A \to t\bar{t}$、$pp \to H/A \to b\bar{b} + \text{非可視}$、$pp \to H^\pm \to t\bar{b}$。これらは異なる結合構造に対して感受性を示す。
• ニュートリノ運動量を質量殻制約および $m_W$ と $m_t$ のオンシェル条件を用いて、トップクォークおよび $W$ ボソンの運動学的再構成技術を適用する。
• すべての可能な $W$ および $b$ ジェットの組み合わせに対して $\chi^2$ 最小化戦略を用い、最良のトップクォーク再構成を選択する。不確実性には $\sigma_h = 50$ GeV および $\sigma_\ell = 25$ GeV を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型ゲージボソンへの結合が抑制されている場合、どのLHC探索チャンネルが追加のヒッグスボソンを発見するのに最も効果的か？
• RQ2 125 GeVのヒッグスボソンの結合測定結果は、特にアライメント限界下で、拡張されたヒッグス系のパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ3 2HDM や実スカラーエクステンションのようなモデルにおいて、アライメント限界条件下で追加のヒッグスボソンの主な生成および崩壊モードは何か？
• RQ4 運動学的再構成技術は、運動量の欠損を伴うイベントにおけるトップクォークおよび $W$ ボソン崩壊の感受性をどのように向上させるか？
• RQ5 標準的な探索モードを避けがちなヒッグスボソン（結合が抑制されたり、非可視崩壊を示したりする）をカバーするため、LHC探索においてどのような体系的改善が必要か？

主な発見

• $pp \to H/A \to t\bar{t}$ チャンネルは、$W$ および $Z$ ボソンへの結合が抑制されている場合でも、トップクォークへの結合が顕著な重いヒッグスボソンの重要なプローブである。
• $pp \to H/A \to b\bar{b} + \text{非可視}$ チャンネルは、非可視最終状態に崩壊するヒッグスボソンに対して強く感受性を示し、特に実スカラーや拡張されたスカラー系を含むモデルで顕著である。
• $pp \to H^\pm \to t\bar{b}$ チャンネルは、2HDM などのモデルでこのような崩壊が運動的に許容され、かつ主要な場合に帯電ヒッグスボソンを発見する上で不可欠である。
• $W$ ボソン質量殻条件および $m_t$ オンシェル条件を用いたトップクォークの運動学的再構成は、高い効率を達成しており、再構成されたトップクォークの85%以上が、静止系で $\delta p/E < 0.15$ を満たす。
• ニュートリノ運動量に実数解がない場合でも、運動量欠損の補正を約1%程度行うことで物理的解を回復でき、再構成バイアスを最小限に抑えることができる。
• $\chi^2$-ベースの再構成手法は、真のトップクォーク質量173.2 GeVからの偏差を最小にする最良の解を効果的に選択する。