[論文レビュー] Unique Higgs boson signature at colliders

Peng‐Fei Yin, Shou-hua Zhu|ArXiv.org|Nov 21, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、加速器における特異なヒッグスボソンの印しょうを提案する：標準模型に類似したヒッグスボソンが、214.3 MeVの仮想粒子から推定される2つの狭い幅のCP奇性スカラー（a）に崩壊し、それぞれが2つのミューオンに崩壊する（h → aa → 4μ）ものである。この小さな質量差（aと2mμの間）により、各aからのミューオンはほぼ共線的となり、これまで無視されてきた特徴的な4μ最終状態を生じる。研究では、低積分放射線量のLHCおよびテバトロンでも、過去のデータに埋もれていたとしても、このようなイベントが発見可能であることを示している。

ABSTRACT

The HyperCP collaboration has observed three events for the decay $Σ^+ o p μ^+ μ^-$. The three events may be interpreted as a new narrow-width CP-odd scalar $a$ with the mass $214.3 \pm 0.5$ MeV. Here $a$ decays dominantly into di-muon ($μ^+μ^-$). As the consequence of tiny mass difference between $m_a$ and 2$m_μ$ ($2 m_μ \approx$ 211.3 MeV), di-muon will be boosted to almost the same direction at colliders. Such kind of di-muon events have been overlooked in the past experiments. Provided that the precision data preferred light SM-like Higgs boson $h$ decays dominantly into $a a$ other than into $b\bar b$, in order to be consistent with null Higgs boson search at LEP, the $h o aa o 4μ$ ($2μ^+ 2μ^-$) will be the unique Higgs boson signature which has not been noticed before. The SM-like Higgs boson may hide itself from the usual analysis of LEP and Tevatron experiments, which should be reanalyzed in the light of new theoretical and experimental developments. In this paper, we also investigate this unique Higgs boson signature at colliders and conclude that the SM-like Higgs boson could be discovered with rather low integrated luminosity, provided that the $h o 4μ$ reconstruction efficiency is not extremely low. It is not impossible that such kind of unique Higgs boson $4μ$ events are now lurking in the existing LEP and/or Tevatron data.

研究の動機と目的

• ハイパーCPの3つの二ミューオン事象から推定される仮想の214.3 MeVの狭い幅のCP奇性スカラー（a）の効果的性質を調査すること。
• このような軽いaボソンが、加速器における特異なヒッグスボソン崩壊印しょう h → aa → 4μ を生じる仕組みを検討すること。
• 過去の解析で無視されたにもかかわらず、LHC、テバトロン、およびILCでこの4μ印しょうが検出可能かどうかを評価すること。
• このようなイベントが、すでにLEPおよびテバトロンのデータに存在している可能性を評価し、特徴的な運動量構造のため隠れていた可能性を検討すること。
• 特に、主にaaに崩壊する軽い標準模型に類似したヒッグスボソンのため、過去の加速器データをこの新しい印しょうを念頭に再解析することを提唱すること。

提案手法

• 質量が約214.3 MeVの軽いCP奇性ヒッグスボソンaをモデル化するため、ゲージシングレット超多重項を含むNMSSMフレームワークを用いる。
• NMHDECAYを用いてパラメータ空間スキャンを行い、BR(h → aa)が大きく、かつm_a ≈ 214.3 MeVとなるベンチマークポイントを同定する。
• a → μ⁺μ⁻崩壊の運動量的性質を解析し、小さな質量差（m_a - 2m_μ ≈ 3 MeV）が非常に共線的になるミューオン対を生じることを示す。
• LHCおよびテバトロンにおけるh → 4μの信号およびバックグラウンドイベントを、'基本的カット'とインヴァリエント質量再構成を用いてシミュレートする。
• Z → μ⁺μ⁻バックグラウンドを抑えるために、m_Zに近い二ミューオン質量を除外し、M_μ⁺μ⁻分布における特徴的なピーク構造を活用する。
• LHC、テバトロン、およびILCにおける4μインヴァリエント質量再構成による信号発見可能性を、現実的な再構成効率を仮定して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーCPの3つの二ミューオン事象は、質量が約214.3 MeVの狭い幅のCP奇性スカラーaによって説明可能か？
• RQ2 標準模型に類似したヒッグスボソンが、2つのこのような軽いaボソンに支配的に崩壊する（h → aa → 4μ）場合、加速器での印しょうは何か？
• RQ3 なぜこのようなほぼ共線的ミューオンを伴う4μイベントが、過去のLEPおよびテバトロン解析で無視されてきたのか？
• RQ4 LHCおよびテバトロンで低統合放射線量を用いて、h → 4μチャンネルによる標準模型に類似したヒッグスボソンの発見は可能か？
• RQ5 このような4μイベントが、すでに存在するLEPおよびテバトロンデータセットに含まれているが、特異な運動量構造のため検出されていなかった可能性はあり得るか？

主な発見

• 標準模型に類似したヒッグスボソンh → aa → 4μは、各a崩壊からのほぼ共線的ミューオン対のため、これまで調査されていなかった特異な印しょうを提供する。
• a → μ⁺μ⁻崩壊における、m_a ≈ 2m_μに起因するほぼ共線的μ⁺μ⁻対の運動量的構造により、m_h/2近辺に明確なピークが現れる。
• Z → μ⁺μ⁻バックグラウンドは、m_Z近辺の二ミューオン質量を除外することで抑制され、SMプロセス由来の4μバックグラウンドは非常に低いことが判明した。
• テバトロンで1 fb⁻¹の放射線量、4μ再構成効率10%の条件下では、m_h = 120 GeVの場合に約25件の信号イベントが期待される。
• LHCでも同じ放射線量と効率の下では、m_h = 120 GeVの場合に約1500件の信号イベントが期待され、発見は非常に現実的である。
• ILCでは√s = 208 GeV、500 pb⁻¹の放射線量の下で、m_h = 60–115 GeVの範囲で約3～13件の信号イベントが期待され、わずかなデータ量で発見が可能であると示唆される。