[논문 리뷰] Beyond standard model Higgs physics: prospects for the High Luminosity LHC

André Holzner|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고 루미노시티 LHC에서 ATLAS 및 CMS의 라이프스타일을 초월한 힉스 물리학에 대한 민감도를 예측하며, 벡터 보손 산란에서의 비정상 4차 게이지 상호작용, 이중 힉스 듀렛 모델에서의 추가 중성 힉스 보손, 그리고 풍미 변화가 있는 중성 전류 top 쿼크 붕괴를 중심으로 다룬다. 비정상 4차 상호작용에 대해 5σ 감지 한계는 10–15 TeV이며, 재구성된 질량 변수를 통한 개선된 질량 해상도와 t→ch 붕괴 분포비율에 대해 95% 신뢰수준에서 1.5×10⁻⁴의 예측 한계를 제시한다.

ABSTRACT

This article summarizes a talk given at Higgs Hunting 2014 on projections of the sensitivity of the ATLAS and CMS experiments to beyond Standard Model Higgs physics at the High Luminosity Large Hadron Collider. We describe results on vector boson scattering, searches for additional neutral Higgs bosons in two Higgs doublet models and flavour changing neutral current top decays.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리현상을 힉스 보손 상호작용 및 붕괴를 통해 ATLAS 및 CMS의 고 루미노시티 LHC 민감도를 평가하기 위해.
• 특히 CP-홀드 및 채널 힉스 보손의 맥락에서 이중 힉스 듀렛 모델(2HDM)에서의 추가 중성 힉스 보손 탐색 가능성을 평가하기 위해.
• 확장된 힉스 세트의 맥락에서 풍미 변화가 있는 중성 전류 top 쿼크 붕괴, 특히 t→ch의 감지 가능성을 예측하기 위해.
• 명시된 Z 및 힉스 보손 질량을 사용한 질량 재구성 기법을 포함한 최적화된 재구성 기법을 통해 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 최종 상태 입자의 운동량 분포를 분석하여 비정상 4차 게이지 상호작용를 탐지하기 위해 pp 충돌에서의 벡터 보손 산란 과정(ww, wz, zz)을 활용한다.
• 고운동량 레프톤, 이중 레프톤 질량 기준을 초과하는(>1 TeV 이중 레프톤 질량), 그리고 부족한 횡방향 에너지를 포함한 이벤트 선택 기준을 적용하여 신호를 분리한다.
• CP-홀드 힉스 보손의 질량 해상도를 향상시키기 위해 $ m_A^{\text{rec}} = m_{\ell\ell bb} - m_{\ell\ell} - m_{bb} + m_Z + m_h $ 와 같은 재구성된 질량 변수를 사용한다. 이는 $ A \to hZ \to bb\ell\ell $ 붕괴 채널에서의 분석에 적용된다.
• 빛자국($ \gamma\gamma $)으로 붕괴하는 힉스 보손의 관측을 통해 t→ch 붕괴를 식별하며, top 쿼크 질량 및 레프톤/레프톤 다수의 제약 조건을 적용한다.
• 레프톤적 W 붕괴에서 중성미온의 운동량을 추정하기 위해 W 보손 질량 제약 조건과 부족한 횡방향 에너지 재구성을 적용한다.
• 다양한 최종 상태(zz, wz, ww, $ \mu\mu $, $ \gamma\gamma $)의 결과를 통합하여 다양한 BSM 시나리오에 대한 민감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3000 fb⁻¹에서 고 루미노시티 LHC에서 ATLAS 및 CMS가 벡터 보손 산란에서 비정상 4차 게이지 상호작용에 대해 기대하는 민감도는 어떠한가?
• RQ2 2HDM에서 $ A \to hZ \to bb\ell\ell $ 붕괴 채널을 통해 고 루미노시티 LHC가 CP-홀드 힉스 보손을 얼마나 잘 해상도를 높여 측정할 수 있는가?
• RQ3 고 루미노시티 LHC에서 풍미 변화가 있는 top 쿼크 붕괴 $ t \to ch $ 의 분포비율에 대해 95% 신뢰수준에서 예측한 한계는 어떠한가?
• RQ4 명시된 Z 및 힉스 보손 질량을 사용한 질량 재구성과 같은 재구성 기법이 무거운 힉스 보손에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 MSSM 벤치마크 시나리오에서 $ A \to \mu^+\mu^- $ 붕괴 모드의 $ m_A $ 대 $ \tan\beta $ 평면에서의 감지 가능 범위는 어떠한가?

주요 결과

• ATLAS 및 CMS에서 $ WZ \to \ell^+\ell^-\nu\ell^+\ell^- $ 채널에서 비정상 4차 게이지 상호작용에 대한 5σ 감지 한계는 실험 및 최종 상태에 따라 10–15 TeV이다.
• $ A \to hZ \to bb\ell\ell $ 붕괴 채널에서 ATLAS 연구는 재구성된 질량 변수 $ m_A^{\text{rec}} $ 를 사용하여 CP-홀드 힉스 보손에 대한 질량 해상도를 향상시키며 민감도를 증가시킨다.
• $ A \to \mu^+\mu^- $ 채널은 뛰어난 질량 해상도를 제공하며, 고 $ \tan\beta $ 조건에서 $ m_A \approx 1.5 $ TeV까지 $ m_A $ 대 $ \tan\beta $ 평면에서 5σ 감지 한계를 달성한다. 그림 5에서 이를 확인할 수 있다.
• 3000 fb⁻¹ 이후의 $ \mathcal{B}(t \to ch) $ 분포비율에 대한 95% 신뢰수준 한계는 $ 1.5 \times 10^{-4} $ 로, 런 I에서 관측된 한계 0.56%보다 크게 향상되었다.
• $ W^+W^+ \to \ell^+\bar{\nu}\ell^+\bar{\nu} $ 채널은 횡단면 곱하기 붕괴 확률가 증가하지만, 두 개의 중성미온이 존재함에 따라 운동량 재구성 능력이 감소한다.
• CMS 및 ATLAS는 이중 레프톤 질량 기준 1000 GeV(ATLAS) 및 600 GeV(CMS)를 적용한 $ WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu $ 채널에 대해 민감도를 예측하며, CMS는 레프톤 간의 $ \Delta\eta > 4.0 $ 조건을 요구한다.