[논문 리뷰] Further Investigation on Model-Independent Probe of Heavy Neutral Higgs Bosons at the LHC Run 2

Yu-Ping Kuang, H. Ren외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC 런 2에서 $pp \to VH^* \to VVV$ 과정에 대해 모델에 종속되지 않은 종합적 분석을 수행하여, 차원 6 효과적 쿠퍼링을 통해 무거운 중성 힉스 보손 ($H$)을 탐색한다. $M_H = 400$, 500, 그리고 800 GeV에 대해 1σ, 3σ, 5σ 통계적 유의수준과 효과적 코어링 상수 ($\rho_H f_W/\Lambda^2$, $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$)의 允許 범위 사이의 정량적 관계를 수립하여, 이 채널이 $H$를 발견하거나 관측되지 않았을 경우 이론적 제약 범위를 설정하거나, 이상치 코어링을 실험적으로 결정하는 데 최적임을 보여준다.

ABSTRACT

In our previous paper, we provided general effective Higgs interactions for the lightest Higgs boson $h$ (SM-like) and a heavier neutral Higgs boson $H$ based on the effective Lagrangian formulation up to the dim-6 interactions, and then proposed two sensitive processes for probing $H$. We showed in several examples that the resonance peak of $H$ and its dim-6 effective coupling constants (ECC) can be detected at the LHC Run 2 with reasonable integrated luminosity. In this paper, we further perform a more thorough study of the most sensitive process, $pp o VH^\ast o VVV$, on the information about the relations between the $1σ,\,3σ,\,5σ$ statistical significance and the corresponding ranges of the Higgs ECC for an integrated luminosity of 100 fb$^{-1}$. These results have two useful applications in the LHC Run 2: (A) realizing the experimental determination of the ECC in the dim-6 interactions if $H$ is found and, (B) obtaining the theoretical exclusion bounds if $H$ is not found. Some alternative processes sensitive for certain ranges of the ECC are also analyzed.

연구 동기 및 목표

• 효과적 장 이론을 활용하여 14 TeV LHC 런 2에서 무거운 중성 힉스 보손 ($H$)에 대한 모델에 종속되지 않은 탐색을 제공하기 위해.
• $pp \to VH^* \to VVV$ 과정이 $M_H = 400$, 500, 그리고 800 GeV일 때 이방성 $HVV$ 코어링, 특히 $\rho_H f_W/\Lambda^2$ 및 $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$에 대한 민감도를 결정하기 위해.
• 통합 루미너시티 100 fb⁻¹ 조건에서 통계적 유의수준(1σ, 3σ, 5σ)과 효과적 코어링 상수의 允許 범위 사이의 정량적 연관 관계를 수립하기 위해.
• H 보손 생성에 있어 전통적인 쿠퍼링-형 힉스 생성(글루온 융합(GF) 및 벡터 보손 융합(VBF))과 비교하여, $VH^*$ 과정의 발견 잠재력 및 제약 감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 차원 6 연산자까지의 효과적 라그랑지안을 $H$에 대해 기술하며, $V = W, Z$인 $HVV$ 상호작용을 포함한다.
• 혼합 및 새로운 물리 효과를 기술하기 위해 효과적 코어링 매개변수 $\rho_H = g_H^2 v_H / (g^2 v)$, $\rho_H f_W/\Lambda^2$, 및 $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$를 정의한다.
• 통합 루미너시티 100 fb⁻¹ 조건에서 14 TeV LHC에서 $pp \to VH^* \to VVV$ 과정의 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 통계적 유의수준 등고선을 계산한다.
• 유니타리성 제약 조건(UB)과 런 1의 실험적 제약 조건(EB)을 활용하여 $\rho_H$, $f_W$, 및 $f_{WW}$의 매개변수 공간을 제약한다.
• $VH^*$ 채널을 글루온 융합(GF) 및 벡터 보손 융합(VBF) 과정과 비교하여 $H$ 생성 및 코어링 측정에 대한 민감도를 분석한다.
• 각 과정의 이방성 코어링에 대한 민감도를 분석하고, 발견 가능 범위 및 제약 경계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 루미너시티 100 fb⁻¹ 조건에서 $pp \to VH^* \to VVV$ 과정가 $\rho_H f_W/\Lambda^2$ 및 $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$ 효과적 코어링을 탐색할 때 달성 가능한 통계적 유의수준(1σ, 3σ, 5σ)은 무엇인가?
• RQ2 유니타리성 제약 조건(UB)과 런 1의 실험적 제약 조건(EB)은 $H$의 효과적 코어링에 대한 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 H가 런 2에서 발견된 경우, $VH^*$ 과정가 이방성 $HVV$ 코어링을 실험적으로 결정하는 데 실현 가능한 길이 될 수 있는가?
• RQ4 다른 $H$ 질량과 코어링 유형에 대해 $VH^*$의 발견 잠재력은 GF 및 VBF를 통한 전통적 온셸 힉스 생성과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 H가 LHC 런 2에서 관측되지 않았을 경우, $VH^*$ 과정를 통해 설정할 수 있는 효과적 코어링에 대한 제약 경계는 무엇인가?

주요 결과

• $pp \to VH^* \to VVV$ 과정는 14 TeV LHC에서 통합 루미너시티 100 fb⁻¹ 조건에서 이방성 $HVV$ 코어링 $\rho_H f_W/\Lambda^2$ 및 $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$를 측정하는 데 가장 민감한 탐색 수단을 제공한다.
• $M_H = 400$ GeV일 경우, 5σ 발견 가능 범위는 $\rho_H$ 및 $C_t$의 값에 따라 $|\rho_H f_W/\Lambda^2| \sim 0.005$ GeV⁻² 및 $|\rho_H f_{WW}/\Lambda^2| \sim 0.003$ GeV⁻²까지 확장된다.
• H가 발견된 경우, $VH^*$ 과정는 $\rho_H f_W/\Lambda^2$ 및 $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$를 직접 실험적으로 결정할 수 있으며, 이는 타당한 새로운 물리 모델을 구분하는 데 새로운 고에너지 기준을 제공한다.
• $VH^*$ 과정에서 유도된 효과적 코어링에 대한 제약 경계는 GF 및 VBF보다 훨씬 강력하며, 특히 $M_H = 800$ GeV일 경우 두드러진다.
• 온셸 힉스 생성에 있어서 GF 및 VBF는 이방성 코어링에 대해 제한된 민감도를 보이며, 특히 Type-I-A 및 Type-II 모델의 경우 매개변수 공간의 좁은 영역에서만 발견 가능성이 있다.
• $VH^*$ 채널은 발견 및 $H$의 이방성 코어링 정밀 측정 모두에서 GF 및 VBF보다 뛰어나며, 런 2에서 중성 무거운 힉스 보손을 탐색하는 데 최적의 과정임을 입증한다.