[논문 리뷰] Boosted Higgs-pair production associated with large $E_T^{miss}$: a signal of $Z^\prime$

Chuan Ren Chen, Yu Xiang Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 HL-LHC에서 $pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi$ 채널을 통해 $Z^\prime$ 보손을 탐색하는 것을 제안한다. 여기서 $Z^\prime$ 는 힉스 보손과 어둠의 물질 입자 $\chi$ 로 붕괴하며, 두 개의 힉스 보손(2\gamma 2b 붕괴를 통해)과 큰 미측도 횡방향 에너지의 서명을 생성한다. 강력한 힉스 보손을 식별하기 위해 제트 서브스트럭처 기법을 사용하여, 질량 $\sim 500\,\text{GeV}$ 의 $Z^\prime$ 는 약 $\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 광학량에서 5$\sigma$ 이상의 의미로 발견될 수 있음을 연구가 입증한다.

ABSTRACT

Non-resonant production of Higgs-pair via heavy intermediate states may be a distinctive signature for extended discrete symmetries when accompaied by large missing transvers energy. We discuss $T$-parity as an example of such symmetry within the Littlest Higgs Model, where a new heavy gauge boson $Z'$, the $T$-odd partner of SM $Z$-boson, predominately decays into to a Higgs boson and a dark matter candidate $χ$. In essence, $T$-parity stablises simultaneously both the Higgs mass and the dark matter. Production via $pp ightarrow Z' Z' ightarrow 2h 2χ$ may therefore yield important clues about symmetries connecting the Higgs and dark sectors. This paper makes a case for the search for this channel at the LHC by studying its discovery potential. It is demonstrated that in situations where a large $Z'-χ$ mass gap results in a boosted topology, the jet-substructure technique can be leveraged to reach the required significance for discovery in the $2h ightarrow 2\gamma2b$ decay mode.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC에서 $T$-대칭을 가진 최소 힉스 모형의 $Z^\prime$ 보손의 발견 가능성을 조사하기 위해.
• pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi 를 탐색하여, $h$ 는 힉스 보손이고 $\chi$ 는 어둠의 물질 후보자이며, 큰 $E_T^{\text{miss}}$ 와 강력한 힉스 제트를 유도하는 충돌 서명을 탐색하기 위해.
• 2h \to 2\gamma 2b 붕괴 모드에서 제트 서브스트럭처 기법을 통해 강력한 힉스 보손을 식별하는 것이 가능함을 입증하기 위해.
• 표준모형 배경에 대비한 신호의 의미를 평가하고, 발견을 위해 필요한 광학량을 결정하기 위해.

제안 방법

• 기준 모델로 $T$-대칭이 있는 최소 힉스 모형을 사용하며, $Z^\prime$ 는 표준모형의 $Z$-보손의 $T$-홀수 파artner이며, $h\chi$ 로만 붕괴된다.
• 강력한 힉스 보손을 $h \to \gamma\gamma$ 와 $h \to b\bar{b}$ 붕괴에서 재구성하고 식별하기 위해 BDRS 제트 서브스트럭처 알고리즘을 사용한다.
• 표준모형 배경을 억제하기 위해 순차적인 운동량 절단을 적용하며, 이는 $N_\gamma \geq 2$, $N_{\text{fatjet}} \geq 1$, $N_\ell \leq 0$, $E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$, 및 $|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$ 를 포함한다.
• 신호 순도를 향상시키기 위해 힉스 쌍의 진동 질량($m_{hh} > 252\,\text{GeV}$), $p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$, 및 $b$-태깅에 추가 절단을 적용한다.
• $\sqrt{s} = 14\,\text{TeV}$ 에서 $\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 광학량을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 신호 단면적과 통계적 의미를 계산한다.
• $Z^\prime \to h\chi$ 의 분해비를 100%로 가정하고, $m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$ 에 대한 발견 가능 범위를 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 힉스 모형의 $T$-대칭에서 $Z^\prime$ 보손은 $2h + E_T^{\text{miss}}$ 서명을 통해 HL-LHC에서 발견될 수 있는가?
• RQ2 제트 서브스트럭처 기법은 강력한 힉스 위상도에서 신호의 의미를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 이 채널에서 질량 $\sim 500\,\text{GeV}$ 의 $Z^\prime$ 를 $5\sigma$ 로 발견하기 위해 필요한 광학량은 얼마인가?
• RQ4 운동량 절단은 표준모형 배경을 어느 정도 억제하면서도 신호 사건을 유지하는가?
• RQ5 이 모형에서 $2\,\text{TeV}$ 까지의 $Z^\prime$ 질량에 대해 발견 가능성이 어떻게 되는가?

주요 결과

• 질량 $500\,\text{GeV}$ 의 $Z^\prime$ 는 $2h \to 2\gamma 2b$ 붕괴 모드에서 HL-LHC에서 약 $\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 광학량으로 5$\sigma$ 이상의 의미로 발견될 수 있다.
• 모든 절단 후, $m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$ 에서의 신호 단면적은 $1.20 \times 10^3\,\text{fb}$ 로 감소하였으며, 배경 억제 후 의미는 $3.17 \times 10^{-2}$ 로 계산되었다.
• $E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$ 와 $|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$ 절단이 배경을 줄이면서도 신호를 유지하는 데 가장 효과적이었다.
• $b$-태깅과 $p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$ 절단은 배경을 추가로 억제하여, 최종 단계에서 단면적을 $1.20 \times 10^3\,\text{fb}$ 로 줄였다.
• $m_{Z^\prime} = 1000\,\text{GeV}$ 에서의 최종 신호 단면적은 $3.56 \times 10^1\,\text{fb}$ 로 나타나, 상당한 비록 도전적인 발견 가능성을 가짐을 시사한다.
• 연구는 큰 $E_T^{\text{miss}}$ 와 제트 서브스트럭처 기법의 조합이 $T$-대칭을 가진 모델에서 $Z^\prime$ 의 실현 가능한 발견 채널을 가능하게 한다고 확인한다.