[논문 리뷰] Benchmark Suggestions for Resonant Double Higgs Production at the LHC for Extended Higgs Sectors

Sebastian Baum, Nausheen R. Shah|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 13 TeV LHC에서 2HDM+S 및 $Z_3$ NMSSM의 공진형 이중 힉스 생성을 위한 벤치마크 시나리오를 제시하며, 데이터 300 fb⁻¹에 최적화되어 있다. $Z$-비활성 및 최대 기울기 시나리오에서 탐지 가능한 서명—$A \to h_{125}a$, $H \to h_{125}h$, 및 $H \to h_{125}h_{125}$—를 식별하였으며, 두 개의 NMSSM 벤치마크 포인트에서 $h_{125}b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태를 통한 탐지 가능한 신호 강도가 나타났다.

ABSTRACT

In this note we present benchmark scenarios for resonant double Higgs production at the $13\,$TeV LHC in the 2HDM+S model and the $Z_3$ Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), which may be accessible with 300 fb$^{-1}$ of data. The NMSSM Higgs sector can be mapped onto the 2HDM+S. We show benchmark points and relevant parameter planes in the 2HDM+S for three sets of signatures: ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$, ($A o a h, H o hh, H o aa)$, and ($H o h_{125}h_{125}$). The first two signatures are optimized in what we call $Z$-Phobic scenarios where $H/A$ decays into final states with $Z$ bosons are suppressed. The last signature, $h_{125}$ pair production, is directly proportional to the misalignment of $h_{125}$ with the interaction state sharing the couplings of a SM Higgs boson, and hence is presented in the Max Misalignment scenario. We also present two NMSSM benchmark points for the ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$ signatures. The benchmark scenarios presented here are based on Refs. [1,2].

연구 동기 및 목표

• LHC에서 확장된 힉스 보행자에서 공진형 이중 힉스 생성을 위한 탐지 가능한 벤치마크 시나리오를 식별하기 위해.
• 실제 루미노시티 조건 하에서 특정 서명—$A \to h_{125}a$, $H \to h_{125}h$, 및 $H \to h_{125}h_{125}$—의 탐지 가능성을 최적화하기 위해.
• $Z_3$ NMSSM의 힉스 보행자를 2HDM+S 프레임워크에 매핑하여 통합된 현상학적 분석을 수행하기 위해.
• 300 fb⁻¹의 데이터로 예측된 신호 강도를 사용하여 이러한 시나리오의 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• 공진형 이중 힉스 탐색에서 $Z$-보손 및 $b$-쿼크 최종 상태 간의 상호보완성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 통합 프레임워크로 2HDM+S 모델을 사용하며, 두 개의 $SU(2)$ 두중항과 복소 스칼라 단일 상태를 포함하고, 유형-II 요카다 구조를 가지며 $\tan\beta = 2.5$로 고정한다.
• 매개변수 공간에서의 벤치마크 포인트를 구성하며, 질량, 혼합 각도, 진공 기대값($v$, $\tan\beta$, $v_S$), 그리고 힉스 기저 상태의 삼중항 결합을 포함한다.
• 세 가지의 서로 다른 서명 집합을 분석한다: $Z$-매개변수를 억제하는 $Z$-비활성 시나리오와, $h_{125}$-유사 결합을 최대화하는 최대 기울기 시나리오.
• 신호 강도는 $gg \to \Phi \to \text{최종 상태}$를 사용하여 예측하며, $\Phi$는 $A$ 또는 $H$이며, 최종 상태로는 $h_{125}a$, $h_{125}h$, $hh$, $aa$, 및 $b\bar{b}b\bar{b}$ 가 포함된다.
• NMSSM의 벤치마크 포인트는 이전 연구(Baum:2019uzg)에서 유래되었으며, 일관성을 위해 2HDM+S 프레임워크로 매핑되었다.
• 분해비율과 붕괴 폭은 힉스 기저에서의 결합을 사용하여 계산되었으며, $Z$-비활성성은 $\kappa$ 및 $\lambda$ 매개변수를 조정하여 $Z$-결합 모드를 억제함으로써 구현되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM+S 및 $Z_3$ NMSSM에서 300 fb⁻¹의 LHC 데이터로 탐지 가능한 공진형 이중 힉스 생성 신호를 갖는 벤치마크 시나리오는 어떤 것인가?
• RQ2 $Z$-비활성 및 최대 기울기 시나리오는 이중 힉스 최종 상태의 가시성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 300 fb⁻¹로 예측된 NMSSM 벤치마크 포인트에서 $A \to h_{125}a \to b\bar{b}b\bar{b}$의 신호 강도는 얼마인가?
• RQ4 $h_{125}$, $a$, $h$, $H$, 및 $A$의 분해비율은 다양한 최종 상태의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $Z$-보손 및 $b$-쿼크 최종 상태는 공진형 이중 힉스 탐색에서 얼마나 상호보완적인가?

주요 결과

• 벤치마크 포인트 BP1은 $m_A = 750$ GeV, $m_a = 168$ GeV, $m_H = 750$ GeV, $m_h = 561$ GeV이며, $\mu = -466$ GeV 및 $\kappa = 0.347$로, $\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$를 기록한다.
• 벤치마크 포인트 BP2는 $\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$를 보이며, $m_a = 168$ GeV, $m_h = 561$ GeV, $m_A \approx m_H \approx 750$ GeV, $\mu = -466$ GeV이다.
• BP2에서 $H \to h_{125}h$의 분해비율은 ${\rm BR}(H\to h_{125}h) = 0.0188$이며, $m_H \approx 750$ GeV 및 $m_h = 561$ GeV이다.
• BP2에서 $A \to h_{125}a$ 붕괴의 분해비율은 ${\rm BR}(A\to h_{125}a) = 0.0188$이며, $a \to b\bar{b}$의 분해비율은 ${\rm BR}(a\to b\bar{b}) = 0.797$로, $b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태가 탐지 가능하다.
• $Z$-비활성 시나리오는 $Z$-매개변수 붕괴를 억제하여, $A \to h_{125}a$의 경우 $b\bar{b}b\bar{b}$가 주요 탐지 가능한 채널이 된다.
• 최대 기울기 시나리오는 $h_{125}$-유사 결합을 최대화하여, $H \to h_{125}h_{125}$를 탐지 가능한 채널로 만들며, BP2에서 $A \to h_{125}a$의 경우 $\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}} = 0.442$를 기록한다.