[論文レビュー] What if bb does not dominate the decay of the Higgs-like boson?

Jiwei Ke, Hui Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、126 GeV のヒッグスに似たボソンが、標準模型（SM）の予測とは異なり、$b\bar{b}$ に支配的に崩壊しない状況を調査している。代わりに、$b\bar{b}$ は著しく抑制され、$\tau^+\tau^-$ はわずかに減少し、ゲージボソンへの崩壊は中程度に増幅される。著者らは、非分解型 MSSM ヒッグス粒子（$H$）が、$H \to hh$ によってより軽いヒッグス粒子（$h$）に崩壊することで、観測された異常を説明できると提唱しているが、これは非常に微細調整されたパrameter領域と、非常に小さな $G_{Hhh}$ カップリングを必要とする。

ABSTRACT

The dominant decay mode of standard model Higgs at 126 GeV $b\bar{b}$ suffers from severe SM background at the LHC even in associated productions $Wh_{ m SM}$ or $Z h_{ m SM}$. The precision measurement of BR($ϕ o b\bar{b})$ requires more data to reduce its large error bar. We investigate the possibility of this channel with largest uncertainty not dominating the decay of Higgs-like boson discovered at the LHC. In such scenarios, the Higgs signal shows highly suppressed $b\bar{b}$, slightly reduced $τ^{+}τ^{-}$ and moderately enhanced gauge bosons comparing with the SM predictions. The model requires two different sources of electroweak symmetry breaking and radiative correction to $m_{b}$ strongly enhanced. However, large reduction in $b\bar{b}$ usually results large enhancement in $τ^{+}τ^{-}$ mode in particular. The reduction of $τ^{+}τ^{-}$ therefore implies that a new decay mode is inevitable. We find that a non-decoupling MSSM Higgs decay into lighter Higgs $H o hh$ may fit the signature. Here, MSSM $H$ is identified as the 126 GeV resonance while $h$ is below $M_{H}/2$ and can evade the direct search bound at LEPII and Tevatron. Large $PQ$ and $R$ symmetry breaking effects mediated by strong interaction can strongly enhance radiative corrections in $m_b$. However, the scenario can only be realized in highly fine-tuned parameter region where $G_{Hhh}$ is tiny. Nevertheless, we discuss the discovery potential of this highly fine-tuned $H o hh$ at the LHC.

研究の動機と目的

• 126 GeV のヒッグスに似たボソンの $b\bar{b}$ 崩壊モードが、標準模型の予測とは異なり著しく抑制される可能性があるかどうかを調査すること。
• 抑制された $b\bar{b}$、わずかに減少した $\tau^+\tau^-$、および増幅された $WW^*$/$ZZ^*$ 崩壊を同時に説明できる、実現可能な新しい物理モデルを同定すること。
• より軽いヒッグス粒子 $h$（$M_H/2$ よりも小さい質量）への新しい崩壊モード $H \to hh$ が、$b\bar{b}$ および $\tau^+\tau^-$ の減少率を説明できるかどうかを検討すること。
• 14 TeV LHC における統合放射線量が 100 fb⁻¹ を超える条件下で、このようなシナリオの発見可能性を評価すること。
• 放射修正および電弱対称性の破れの2つの異なる源が、ボトムクォークのユカワ結合を抑制する役割を果たすかを検討すること。

提案手法

• 著者らは、7 TeV および 8 TeV の LHC ランにおける ATLAS および CMS のデータを分析し、$R = \sigma_{\text{obs}}/\sigma_{\text{SM}}$ の中央値を用いて、$b\bar{b}$ 崩壊が著しく抑制されたシナリオをモデル化している。
• 標準模型ヒッグス結合の理論的制約、特に $\tau$-b 質量比を適用することで、$b\bar{b}$ 幅の大幅な減少は、$\tau^+\tau^-$ の過剰な増幅を避けるために新しい崩壊モードを必要とすることを示している。
• 126 GeV の共鳴状態が、CP 奇性の重いヒッグス粒子 $H$ として特定され、より軽いヒッグス粒子 $h$ に $H \to hh$ として崩壊する非分解型 MSSM ヒッグス系を仮定している。
• 強い QCD 効果が大きな $PQ$ および $R$ 対称性の破れを介して媒介されることにより、ボトムクォーク質量の放射修正が強化され、$b\bar{b}$ カップリングの抑制が可能になる。
• 理論的整合性は、$G_{Hhh}$ カップリングを主要パrameterとして、分岐比および部分幅（$\Gamma(H \to hh)$、$\Gamma(H \to b\bar{b})$、$\Gamma(H \to WW^*)$）の計算により確認されている。
• 14 TeV LHC における関連生成断面積（$WH$ および $ZH$ 生産）は、断面積と分岐比を用いて推定されており、最終状態のレートは運動学的およびタギング効率を含めて計算されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 126 GeV のヒッグスに似たボソンの $b\bar{b}$ 崩壊モードが、他の実験的制約に反しない新しい物理によって著しく抑制される可能性はあるか？
• RQ2 $b\bar{b}$ が強く抑制された場合、$\tau^+\tau^-$ 崩壊レートにどのような影響があるか、観測データとどのように整合化できるか？
• RQ3 抑制された $b\bar{b}$、わずかに減少した $\tau^+\tau^-$、および増幅された $WW^*$/$ZZ^*$ 崩壊を同時に説明できる実現可能なモデルはあるか？
• RQ4 非分解型 MSSM における $H \to hh$ 崩壊モードが、観測された異常を説明できるか、そのために必要な微細調整条件は何か？
• RQ5 14 TeV LHC で、$>3\sigma$ の有意性を持つ $H \to hh$ シグナルを発見するには、どの程度の放射線量とエネルギー要件が必要か？

主な発見

• 提案されたシナリオでは $b\bar{b}$ 崩壊モードが著しく抑制されており、$H \to hh \to b\bar{b}b\bar{b}$ の分岐比は、$h_{\text{SM}} \to b\bar{b}$ の SM 値（約 85.8%）に対して約 28.9% に低下している。
• $\tau^+\tau^-$ 崩壊レートはわずかに減少しており、$H \to hh \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$ の分岐比は 4.6% であり、ATLAS での観測された $R \approx 0.7$ と整合的である。
• 14 TeV LHC における関連生成断面積は、$\sigma(pp \to WH) = 1.59~\text{pb}$ および $\sigma(pp \to ZH) = 0.94~\text{pb}$ であり、$gg \to H$ のグルーオン融合断面積は $56.31~\text{pb}$ である。
• 2つのハドロン的タウを含む同じ電荷の二レプトン最終状態では、カットなしで信号レートが $42.6~\text{fb}$ に推定されており、100 fb⁻¹ の条件下で発見可能性があると示唆されている。
• このモデルは、非常に微細調整されたパrameter領域を必要とし、$G_{Hhh}$ カップリングが極めて小さいため、自然性基準から見て実現可能性は低い。
• $H \to hh$ シグナルの発見には、14 TeV LHC で 100 fb⁻¹ を超えるデータ量が必要であり、SM 背景からの $>3\sigma$ のずれを達成する必要がある。