[논문 리뷰] Discovering extra Higgs boson via pair production of the SM-like Higgs bosons

Jia Liu, Xiao-Ping Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 표준모형 유사 힉스 보손(H)의 공진 상태 쌍 생성을 통해 추가 힉스 보손(S)을 발견하는 것을 제안한다. 여기서 S는 무거운 스칼라 공진 상태를 통해 HH로 주로 붕괴한다. √s = 14 TeV에서 1000 fb⁻¹의 통합 루미너시티를 사용하여, 특히 렙톤 또는 광자를 포함한 여러 붕괴 채널에서 신호 대 배경 비율(S/B)이 100 이상으로 매우 우수한 결과를 얻었으며, bb̄bb̄ 모드는 높은 붕태비율에도 불구하고 QCD 배경으로 인해 어려움을 겪는다.

ABSTRACT

In the standard model (SM), pair production rate of Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) is quite low. One usually think that it is extremely important for the measurement of triple Higgs coupling at the high luminosity LHC. In this paper, we propose to search for the extra Higgs boson (denoted as $S$) utilizing pair production of the SM-like Higgs boson ($H$) which was discovered in July, 2012.The pair production of $H$ can be huge due to the resonant production of heavy scalar $S$, namely $PP ightarrow S ightarrow HH$. The couplings of $H$ with weak gauge boson are similar to ones in the SM and it implies that the couplings between $S$ and gauge bosons are likely suppressed. Provided that $S$ is heavy enough, the decay into weak gauge bosons may not be the dominant modes. Instead $S$ can decay into a pair of $H$ and offer the promising channel to discover it. In this paper, we studied the 5 promising decay modes of $H$, i.e. $b\bar{b}$, $WW^*$, $ZZ^*$, $γγ$ and $τ^+τ^-$, and simulated the signals and backgrounds for the 15 combination modes for $HH$ at the LHC with $\sqrt{s}= 14$ TeV and integrated luminosity $\mathcal{L}=1000fb^{-1}$. We found that with the help of suitable selection rules, very good signal to background ratio $S/B$ can be archived in many decay channels, for example $b\bar b+ (WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$, $WW^*+(WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$ and $τ^+τ^- +(γγ, τ^+τ^-)$. For the detailed results please refer to Table ef{tab:discovery} in the text. On the contrary, $b\bar b b\bar b$ mode is less important due to the huge QCD background. However if one has excellent control on light jet mis-tagging, the $b\bar b b\bar b$ mode can be promising to discover the extra Higgs boson due to its the largest branching ratio compared to other modes.

연구 동기 및 목표

• S → HH 붕괴를 통한 공진 상태 생성을 활용하여 LHC에서 추가 힉스 보손(S)의 새로운 발견 채널을 탐색한다.
• 특히 높은 S/B 비율을 보이는 힉스 보손 붕괴의 다양한 최종 상태에서 S의 발견 잠재력을 평가한다.
• 특히 고루미너시티 LHC 런의 맥락에서 QCD 및 전자약 배경이 다양한 붕괴 채널 조합에 미치는 영향을 평가한다.
• 실제 실험 선택 규칙과 배경 억제 기술을 고려할 때 S를 탐지하기 위한 최적의 붕괴 채널을 규명한다.

제안 방법

• Madgraph 5를 사용하여 S → HH 생성 및 이후 힉스 붕괴의 파arton 수준 과정을 시뮬레이션하며, 15개의 붕괴 채널 조합에 중점을 둔다.
• 신호 대 배경 비율 향상을 위해 관측 가능한 질량 재구성과 같은 운동학적 선택 규칙을 적용한다.
• √s = 14 TeV에서 1000 fb⁻¹의 루미너시티를 사용하여 다양한 붕괴 모드에서의 신호 및 배경 이벤트 수를 추정한다.
• 특히 QCD 유도 과정과 잘못 식별된 제트(예: 라이트 쿼크 제트가 b-제트 또는 광자를 모방하는 경우)의 배경 기여를 평가한다.
• Madgraph에서 pT 컷을 구현하여 이벤트 생성 효율을 향상시키고 계산 비용을 절감한다.
• 다양한 붕괴 모드 간의 신호 통계 및 S/B 비율을 비교하여 높은 발견 잠재력을 지닌 채널을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S → HH 붕괴를 통한 무거운 스칼라 S의 공진 상태 생성이 LHC에서 추가 힉스 보손의 탐지에 실현 가능한 발견 채널이 될 수 있는가?
• RQ2 예를 들어 bb̄, WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻와 같은 힉스 붕괴 모드의 조합 중에서 S를 탐지하기 위해 가장 높은 S/B 비율을 제공하는 것은 무엇인가?
• RQ3 QCD 및 전자약 배경은 특히 다중 렙톤 및 이광자 채널에서 S의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 렙톤 태깅 및 관측 가능한 질량 재구성과 같은 배경 억제 기술이 발견 잠재력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 높은 붕태비율을 지닌 채널(예: bb̄bb̄)과 희귀하지만 더 깨끗한 모드(예: γγγγ)에서 S의 예상 이벤트 수와 S/B 비율은 무엇인가?

주요 결과

• b̄b̄ + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻), WW* + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻), τ⁺τ⁻ + (γγ, τ⁺τ⁻) 등의 여러 붕괴 채널에서 S/B 비율이 100을 초과하여 강력한 발견 잠재력을 보인다.
• bb̄bb̄ 최종 상태는 가장 큰 붕태비율에도 불구하고 압도적인 QCD 배경으로 인해 발견 잠재력이 떨어진다.
• γγγγ 및 ZZ*ZZ* 최종 상태는 각각 약 35건과 약 9건의 낮은 통계를 보이며, 신호 이벤트 수가 부족하여 발견 후보로 부적절하다.
• 한 개의 힉스 보손이 τ⁺τ⁻ 또는 WW*로 붕괴하고 다른 하나가 렙톤 또는 이광자 모드로 붕괴하는 채널은 수백 건의 신호 이벤트를 생성하며 S/B 비율이 100 이상을 유지한다.
• τ⁺τ⁻ + τ⁺τ⁻ 최종 상태는 약 70건의 신호 이벤트를 생성하며, 여섯 렙톤 최종 상태로 매우 깨끗하여 강력한 발견 잠재력을 지닌다.
• 제트 오인식 배경이 존재하더라도 τ⁺τ⁻ 기반 채널의 S/B 비율은 100 이상을 유지하여 이러한 배경에 대해 강건함을 보인다.