[논문 리뷰] HiggsTools: BSM scalar phenomenology with new versions of HiggsBounds and HiggsSignals

Henning Bahl, Thomas Biekötter외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 BSM 스칼라 현상물리학을 위한 HiggsBounds와 HiggsSignals를 재구성한 통합된 C++ 프레임워크인 HiggsTools-1을 제시한다. 이는 네이티브 파이썬 및 마스터민라 인터페이스를 제공하며, HiggsPredictions를 통해 모델 입력을 제공하고, 전체 이중 힉스 및 이중으로 빛나는 힉스 탐색 한계를 HiggsBounds에 통합하며, 복잡한 측정치를 통합한 HiggsSignals의 처리 방식을 개선하여 LHC 및 LEP 데이터에 대한 BSM 모델의 정밀하고 자동화된 테스트를 가능하게 하며, 정확도와 확장성 향상에 기여한다.

ABSTRACT

The codes HiggsBounds and HiggsSignals compare model predictions of BSM models with extended scalar sectors to searches for additional scalars and to measurements of the detected Higgs boson at 125GeV. We present a unification and extension of the functionalities provided by both codes into the new HiggsTools framework. The codes have been re-written in modern C++ with native Python and Mathematica interfaces for easy interactive use. We discuss the user interface for providing model predictions, now part of the new sub-library HiggsPredictions, which also provides access to many cross sections and branching ratios for reference models such as the SM. HiggsBounds now implements experimental limits purely through json data files, can better handle clusters of BSM particles of similar masses (even for complicated search topologies), and features an improved handling of mass uncertainties. Moreover, it now contains an extended list of Higgs-boson pair production searches and doubly-charged Higgs boson searches. In HiggsSignals, the treatment of different types of measurements has been unified, both in the χ2 computation and in the data file format used to implement experimental results. Program title:HiggsTools CPC Library link to program files:https://doi.org/10.17632/b25smy28cj.1 Developer's repository link:https://gitlab.com/higgsbounds/higgstools Licensing provisions: GPLv3 Programming language:C++, Python, Mathematica Journal reference of previous version: P. Bechtle, O. Brein, S. Heinemeyer, G. Weiglein, K.E. Williams, Comput. Phys. Commun. 182 (2011), 2605-2631 Does the new version supersede the previous version?: Yes Reasons for the new version: This version extends the functionality of the previous versions and is re-written in modern C++. Summary of revisions: List of included Higgs-boson searches and Higgs-boson rate measurements has been expanded. Nature of problem: Determine whether a parameter point of a given model is excluded or allowed by LEP and LHC Higgs boson search results, and whether this model point is in agreement with the LHC Higgs-boson rate measurements. Solution method: Exclusion by Higgs boson searches: The most sensitive channel from LEP and LHC searches is determined and subsequently applied to test this parameter point for each Higgs boson of the model under consideration. The test requires as input, model predictions for the Higgs boson masses, branching ratios and ratios of production cross sections with respect to reference values. Agreement with LHC Higgs-boson rate measurements: A χ2 value is calculated based on the available LHC rate measurements. This calculation requires as input model predictions for the Higgs boson(s) at ∼125 GeV. Additional comments including restrictions and unusual features: Assumes that the narrow width approximation is applicable in the model under consideration and that the model does not predict a significant change to the signature of the background processes or the kinematical distributions of the signal cross sections.

연구 동기 및 목표

• BSM 힉스 현상물리학을 위한 기존 포트란 기반의 HiggsBounds와 HiggsSignals 도구를 현대화하고 통합하기.
• LHC 및 LEP 힉스 탐색 한계와 정밀 측정치에 대한 BSM 모델 테스트를 위한 사용자 우아하고 확장 가능한 프레임워크 제공하기.
• 모델 입력을 위한 중심 라이브러리로 HiggsPredictions 통합하기, 이는 참조 모델에 대한 단면적과 분해비율을 포함한 입력 제공.
• HiggsBounds에 비공진형 이중 힉스 및 이중으로 빛나는 힉스 탐색 지원을 추가하고, 질량 불확실성과 입자 군집 처리를 향상시키기.
• HiggsSignals를 단순한 비율 제약을 넘어서는 복잡한 측정치, 예를 들어 CMS의 τ⁺τ⁻ 결합 측정치와 같은 CP 민감도 분석을 처리할 수 있도록 확장하기.

제안 방법

• 현대적인 C++로 HiggsBounds와 HiggsSignals를 재작성하여, 더 나은 성능, 유지보수성 및 확장성을 확보하는 모듈식 설계 도입.
• HiggsPredictions를 독립형 서브라이브러리로 도입하여 BSM 스칼라 모델을 정의하고, 명시적 입력 또는 효과적 결합을 통한 질량, 폭, 양자수, 생산/분해 비율을 정의.
• HiggsBounds의 하드코딩된 한계를 동적 JSON 기반 데이터 파일로 대체하여, 새로운 실험 결과의 영구적이고 스케일러블한 통합 가능하게 하기.
• 유사 질량과 복잡한 붕괴 위상도를 가진 다수의 BSM 스칼라를 처리하기 위해 HiggsBounds의 입자 군집 기능을 향상시키기.
• HiggsSignals를 다양한 측정 유형 간의 χ² 계산을 통합하도록 확장하여, 비율 관측치를 넘어서는 비율이 아닌 관측치, 예를 들어 CP 민감도 결합을 포함한 분석 처리 가능하게 하기.
• 인터랙티브 사용을 위한 최고 수준의 C++, 파이썬 및 마스터민라 인터페이스 제공, 상세 문서화 및 예제 워크플로우 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 HiggsBounds와 HiggsSignals 도구는 어떻게 현대적인 C++ 기반의 단일 확장 가능한 프레임워크로 현대화되고 통합될 수 있는가?
• RQ2 신규 HiggsPredictions 라이브러리가 BSM 모델의 생산 및 붕괴 비율 예측 입력을 얼마나 간소화할 수 있는가?
• RQ3 HiggsBounds에 전체 이중 힉스 및 이중으로 빛나는 힉스 탐색 한계를 통합함으로써 성능 향상과 정확도 향상은 어느 정도 달성되는가?
• RQ4 HiggsSignals에서 복잡한 측정치를 통합 처리함으로써 LHC 데이터에 대한 BSM 모델의 호환성 테스트는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 정확한 신호 단면적 예측을 사용할 경우, 캄프 양자수 상수에 대한 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HiggsTools-1 프레임워크(즉, HiggsPredictions, HiggsBounds, HiggsSignals 포함)는 GitLab을 통해 공개되며, C++, 파이썬 및 마스터민라 인터페이스를 지원한다.
• HiggsPredictions는 명시적 매개변수 또는 효과적 결합을 통한 정확한 모델 입력을 가능하게 하며, 표준모형 및 일반적인 BSM 모델의 기준 단면적과 분해비율에 내장된 액세스 기능을 제공한다.
• HiggsBounds는 이제 전체 이중 힉스 쌍 생성 탐색(예: h125h125 → bbγγ, bbbb, ττγγ) 및 이중으로 빛나는 힉스 보손 한계를 지원하여 범위가 크게 확장되었다.
• HiggsSignals는 이제 CP 민감도 분석, 예를 들어 h → τ⁺τ⁻의 CMS 측정치와 같은 비율 관측치를 처리할 수 있어, 힉스 결합 구조에 대한 더 정밀한 제약 조건을 가능하게 한다.
• 벤치마크 연구 결과, 정확한 신호 단면적 예측을 사용하는 것이 필수적임을 입증함 — 잘못된 가정은 캄프 양자수 상수에 대한 오해의 제약 조건을 초래할 수 있음.
• 2HDM에서 HiggsBounds(직접 탐색)와 HiggsSignals(비율 측정치)의 병합 제약 조건을 분석한 결과, 특히 질량이 800 GeV인 타입 I 모델에서 상당한 BSM 효과가 유효함이 드러남.