[논문 리뷰] BSM Higgs searches in the gluon fusion process pp -> h +jet -> au^+ au^- + jet at the LHC

A. Belyaev, Renato Guedes외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC에서 글루온 융합 생성을 통해 생성된 매우 가벼운 힉스 보손이 타우 렙톤과 잔여 제트로 붕괴하는 과정를 통해 뒤이어 나타나는 뒷받침되지 않은 모델(BSM)에서의 발견 잠재력에 대해 조사한다. 부분입자 수준의 시뮬레이션을 통해 초기 데이터(최소 100 pb⁻¹)로도 특정 2HDM+nD 및 3HDM(D) 모델에서 표준모형(SM)과 유사한 페르미온에 대한 결합을 가진 가벼운 힉스(20–60 GeV)를 95% 신뢰수준에서 배제할 수 있음을 보여준다. 특히 큰 tanβ 또는 특정 혼합 매개변수를 가진 영역에서 그러한 결과를 얻을 수 있다.

ABSTRACT

The mass of the Standard Model (SM) Higgs boson was constrained by the Large Electron-Positron (LEP) collider to be above 114.4 GeV. Simple extensions of the scalar sector like adding singlets and/or doublets allow the lightest Higgs to be much lighter via a reduction in its coupling to gauge bosons. Such a light Higgs could have evaded the LEP searches but could be detected at the Large Hadron Collider (LHC) in the process pp -> h j -> tau^+ tau^- j, where j is a resolved jet. We conclude that in some Beyond the Standard Model (BSM) extensions of the scalar sector, a very light Higgs state could be detected at the 14 TeV LHC with early data.

연구 동기 및 목표

• 게이지 보손에 대한 결합이 억제된 상태로 LEP 제약 조건을 우회한 매우 가벼운 힉스 보손(60 GeV 이하)을 탐지할 수 있는지의 가능성 평가.
• 이러한 가벼운 힉스 상태가 글루온 융합 과정 pp → h + 제트 → τ⁺τ⁻ + 제트를 통해 LHC에서 발견될 수 있는지 조사.
• 표준모형을 초월한 확장된 힉스 섹터에서 LHC의 초기 통합 루미노시티(예: 100 pb⁻¹)를 고려한 발견 및 배제 가능성 평가.
• 2HDM+nD 및 3HDM(D)와 같은 모델에서 추가 힉스 이중체나 단일체 간의 혼합이 힉스 결합 및 생성 단면적에 미치는 영향 탐색.

제안 방법

• √s = 14 TeV에서 글루온 융합이 주요 생성 모드인 pp → h + 제트 → τ⁺τ⁻ + 제트 과정에 대한 부분입자 수준 연구 수행.
• n개의 이중체(2HDM+nD) 또는 단일체를 추가하여 확장된 힉스 섹터 분석. 혼합은 각도(θ, α, β, Ω)와 진공 기대값(VEVs)으로 매개변수화.
• 혼합 매개변수를 사용해 수정된 힉스 결합을 유도: gVVh = (cosΩcosθ sin(β−α) + sinΩsinθ)gSMVVh 및 gffh = cosθ / cosΩ × (cosα/sinβ 또는 −sinα/cosβ) × gSMffh.
• 신호 강도 비율 σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻)를 힉스 질량, tanβ, 혼합 각도의 함수로 평가.
• 95% 신뢰수준에서의 배제 또는 3σ/5σ 발견을 위한 통합 루미노시티 요구량을 결정하기 위해 루미노시티 임계치(100 pb⁻¹, 500 pb⁻¹, 1 fb⁻¹)를 사용.
• 특수한 시나리오(예: gVVh = 0, 즉 LEP 제약 조건을 피하기 위해 정밀 조정된 혼합) 및 별도의 VEVs를 가진 민주적 3HDM(D) 모델 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이지 보손에 대한 결합이 억제된 매우 가벼운 힉스 보손(20–60 GeV)이 pp → h + 제트 → τ⁺τ⁻ + 제트 채널을 통해 LHC에서 탐지될 수 있는가?
• RQ2 2HDM+nD 및 3HDM(D) 모델에서 가벼운 힉스를 95% 신뢰수준에서 배제하거나 3σ/5σ로 발견하기 위해 필요한 통합 루미노시티는 얼마인가?
• RQ3 혼합 각도(θ, α, β)와 진공 기대값(v1, v2, v0, vl)이 확장된 모델에서 가벼운 힉스의 생성 단면적과 분해비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 매개변수 공간의 어느 영역(예: 높은 tanβ, 특정 혼합)에서 초기 LHC 데이터(≤1 fb⁻¹)로 가벼운 힉스를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 gVVh = 0(즉, W/Z와의 결합이 없음)인 시나리오에서도 탐지 가능한가? 만약 그렇다면, 탐지 가능할 경우 필요한 루미노시티는 얼마인가?

주요 결과

• √s = 14 TeV에서 통합 루미노시티가 1 fb⁻¹ 이하일 경우, 질량 범위 20–60 GeV 내에서 표준모형과 유사한 페르미온에 대한 결합을 가진 가벼운 힉스 보손은 95% 신뢰수준에서 배제 가능하다.
• 2HDM+nD의 모델 II에서, mh < 60 GeV 이고 tanβ = 30 인 영역는 최소 100 pb⁻¹의 루미노시티로도 탐색 가능하다.
• 2HDM+nD의 모델 IV에서는, mh < 60 GeV 이고 tanβ = 2–3 인 영역에 대해 500 pb⁻¹의 루미노시티로도 매개변수 공간의 다수 영역를 탐색할 수 있다.
• sinΩ ≈ 0.1 이고 α ≈ β 인 3HDM(D) 모델에서는, 95% 신뢰수준에서 5 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 초과한 후에도 매개변수 공간의 아주 소수의 영역만이 미탐색된 상태로 남아있다.
• Ω가 작을 경우, σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻)의 신호 강도 비율은 최대 1/cos²Ω 정도로 증가할 수 있으며, 이는 특정 혼합 영역에서 단면적 증가를 나타낸다.
• gVVh = 0 인 시나리오(예: sin(β−α) = −tanΩtanθ)는 정밀 조정이 필요 없이 LEP 제약 조건을 피할 수 있으며, 이러한 모델에서도 tanβ가 크거나 혼합 조건이 유리한 경우, τ⁺τ⁻ 붕괴를 통해 가벼운 힉스를 탐지할 수 있다.