[논문 리뷰] Exotic Higgs Decay via AZ/HZ Channel: a Snowmass Whitepaper

Baradhwaj Coleppa, Felix Kling외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC에서 확장된 힉스 보존 섹터에서 $A/Z$ 또는 $H/Z$ 최종 상태를 통한 이국적인 힉스 붕괴를 조사하며, $gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 붕괴 체인에 초점을 맞춘다. 300 fb$^{-1}$ 루미너스 조건에서, 200–600 GeV 사이의 부모 힉스 질량에 대해 95% 신뢰수준 배제 한계는 약 30 fb에서 몇 fb 사이이며, 5$\sigma$ 발견 가능성은 이에 비해 약 2–3배 높다. 이는 특히 NMSSM 및 2HDM 모델에서 350 GeV 이하의 무거운 힉스 보존을 탐색하는 데 있어 매우 유용한 채널이다.

ABSTRACT

While the conventional searches for the Higgs boson focus on its decays to Standard Model (SM) particles: gamma gamma, ZZ, WW, bb and tau tau, in this study, we explore the decays A --> HZ or H --> AZ. Such decays could appear in the exotic decay of the observed SM-like Higgs h --> AZ with a light A, or for extra Higgses in beyond the SM new physics scenarios with an extended Higgs sector. We study the exclusion bounds as well as discovery reach at the LHC for various combinations of (m_A, m_H) for the process: gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll for l =e, mu. We find that for 14 TeV LHC with 300 fb^{-1} integrated luminosity, the 95% C.L. limits on the cross-section for gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll vary between about 30 fb to a few fb for the parent heavy Higgs mass in the range 200 GeV to 600 GeV, while the limits for 5 sigma discovery are about 2-3 times larger. Comparing with the specific case of Next to Minimal Supersymmetric Standard Model, we find that this channel could be useful for heavy Higgs searches, especially for Higgs masses below 350 GeV.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 $bb\ell\ell$ 최종 상태에서의 이국적 힉스 붕괴 $A \to HZ$ 또는 $H \to AZ$ 탐지 가능성 조사.
• 다양한 $m_A$ 및 $m_H$ 질량 범위에서 이러한 붕괴에 대한 모델 독립적 배제 및 발견 한계 설정.
• 특히 $t\bar{t}$ 붕괴가 지배적일 경우의 상황에서 이 채널의 민감도를 통상적인 힉스 탐색 모드와 비교 평가.
• 특히 NMSSM 및 일반적인 2HDM에 대해 이 붕괴 채널의 관련성 평가.
• 실제 검출기 시뮬레이션과 배경 억제 기법을 활용한 향후 실험적 탐색을 위한 정량적 기준 제공.

제안 방법

• 이벤트 생성을 위해 MadGraph 5/MadEvent를, 샤워링 및 하드론화를 위해 Pythia를 사용하여 신호 과정 $gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 시뮬레이션.
• 재구성 효과를 모델링하기 위해 Delphes 3.07를 사용한 검출기 수준 시뮬레이션 및 Snowmass 통합 LHC 검출기 카드 적용.
• 운동학적 및 식별 절차를 순차적으로 적용: $n_\ell = 2$, $n_b = 2$, $|\eta| < 2.5$, $m_{\ell\ell}$, $m_{bb}$, $m_{bb\ell\ell}$, 및 $p_T$ 기반 선택 기준을 통해 배경 억제.
• 신호 및 배경 단면적에 대한 절단 조건을 기반으로 theta-auto 프로그램을 사용해 95% C.L. 배제 및 5$\sigma$ 발견 한계 계산.
• 특정 모델, 특히 NMSSM에 대한 벤치마크와 결과 비교를 위해 $m_H = 125 \pm 2$ GeV에서의 대표적 $\sigma \times BR$ 값 사용.
• 도달 가능성 계산에 배경 추정치에 10%의 체계적 오차 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV LHC에서 $bb\ell\ell$ 최종 상태에서의 이국적 힉스 붕괴 $A \to HZ$ 또는 $H \to AZ$에 대한 95% C.L. 배제 및 발견 민감도는 어떻게 되는가?
• RQ2 300 fb$^{-1}$ 루미너스 조건에서 $\sigma \times BR(gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell)$의 한계는 $m_A$ 및 $m_H$에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 $HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 채널이 무거운 힉스 보존의 $t\bar{t}$ 붕괴 모드와 경쟁력 있는 민감도를 제공할 수 있는가?
• RQ4 NMSSM 및 일반적인 2HDM 시나리오에서 이 채널의 도달 가능성은 기존 한계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 검출기 수준의 영향 및 배경 억제 효율성은 최종 민감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 14 TeV LHC에서 300 fb$^{-1}$ 루미너스 조건에서, $gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$에 대한 95% C.L. 배제 한계는 부모 힉스 질량이 200 GeV에서 600 GeV 사이일 경우 약 30 fb에서 몇 fb 사이이다.
• 5$\sigma$ 발견 가능성은 95% C.L. 배제 한계보다 약 2–3배 높으며, $m_H = 125$ GeV일 때 $m_A = 250$ GeV에서는 약 65 fb, $m_A = 600$ GeV에서는 5.6 fb 수준이다.
• 더 큰 $m_A$ 및 더 작은 $m_H$일수록 민감도가 향상되나, 매우 높은 $m_A$와 작은 $m_H$ 조건에서는 $b$ 제트가 충돌하여 두 제트 요구 조건을 충족하지 못해 민감도가 저하된다.
• NMSSM에서는 350 GeV 이하의 힉스 질량에서 $t\bar{t}$ 붕괴 모드가 열리며 다른 서명이 억제되기 때문에, $HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 채널이 특히 효과적이다.
• 일반적인 Type-II 2HDM에서도 이 채널은 경쟁력이 유지되며, 350 GeV 이상의 힉스 질량에서는 $t\bar{t}$ 채널을 능가할 수 있다.
• 배경 추정치에 10%의 체계적 오차를 포함한 결과, 도달 가능성은 약간 악화되지만, 연구된 질량 범위 전반에서 전체 민감도는 여전히 강력하다.