[논문 리뷰] Introducing HiggsBounds 2.0.0

P. Bechtle, Oliver Brein외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

HiggsBounds 2.0.0는 예측된 힉스 보손 질량, 분해비율, 결합 및 총단면적을 사용하여 LEP 및 테바트론 배제 한계에 대해 임의의 힉스 섹터를 모델에 종속되지 않게 테스트하는 도구입니다. 이 도구는 39/53개의 힉스 검색 분석에서 관측된 및 기대되는 총단면적 한계와 모델 예측을 비교하여 주어진 모델 시나리오가 95% 신뢰수준에서 배제되는지 여부를 판단합니다. 이는 이전 버전에 비해 크게 확장된 커버리지와 함께 4세대 모델, MSSM, Randall-Sundrum 시나리오와 같은 모델에 대해 강력한 배제 테스트를 가능하게 합니다.

ABSTRACT

We introduce version 2.0.0 of the computer program HiggsBounds. The program tests neutral and charged Higgs sectors of new models against the current exclusion bounds from LEP and the Tevatron. As input, it requires a selection of model predictions, such as Higgs masses, branching ratios, effective couplings and total decay widths. The program then uses the expected and observed topological cross section limits from the Higgs searches to determine whether a given parameter scenario of a model is excluded at the 95% C.L. by those searches. Version 2.0.0 includes 39/53 LEP/Tevatron Higgs search analyses, compared to 13/36 in the previous release (1.2.0). Among the newly included analyses are LEP searches for neutral Higgs bosons (H) decaying invisibly or into hadrons, LEP searches via the production modes (tau+ tau- H) and (b b-bar H), Tevatron searches via (t t-bar H), and LEP and Tevatron searches for charged Higgs bosons. Also, all Tevatron results presented at the ICHEP'10 are included in version 2.0.0. In this talk, we explain the basic ideas behind the implementation of HiggsBounds and provide a list of search topologies implemented in version 2.0.0. Furthermore, we apply HiggsBounds 2.0.0 to (a) determine the allowed Higgs mass range for a simple 4th generation model, (b) update/reproduce LEP/Tevatron Higgs exclusion plots for the MSSM m_h-max benchmark scenario, and (c) show exclusion results for the scalar sector of the Randall-Sundrum model.

연구 동기 및 목표

• LEP 및 테바트론 힉스 검색에서의 실험적 배제 한계에 대해 임의의 힉스 섹터를 모델에 종속되지 않게 테스트할 수 있는 도구를 제공하는 것.
• HiggsBounds의 힉스 배제 분석 커버리지를 확장하여 LEP 및 테바트론 검색 기반형태(예: 투명한 붕괴, $b\bar{b}H$, $\tau^+\tau^-H$, $t\bar{t}H$, 그리고 이중자 힉스 검색 포함)를 포함하는 것.
• 연구자들이 예측된 신호 총단면적을 관측 및 기대되는 한계와 비교하여 주어진 모델 파rameter 시나리오가 95% 신뢰수준에서 배제되는지 여부를 판단할 수 있도록 하는 것.
• MSSM $m_h^{\text{max}}$ 시나리오 및 Randall-Sundrum 모델의 스칼라 섹터와 같은 벤치마크 모델에 대해 업데이트된 및 재현 가능한 배제 그림을 지원하는 것.

제안 방법

• 프로그램은 모델 예측을 입력으로 받으며, 이는 힉스 질량, 총 폭, 분해비율, 기준값에 대한 생산 총단면적 비율을 포함한다.
• 모든 구현된 LEP 및 테바트론 힉스 검색 분석을 평가하여 주어진 모델 시나리오에 적용 가능한지 확인한다.
• 각 적용 가능한 분석에 대해, 모델의 예측된 신호 총단면적(분해비율에 따라 스케일링된)을 95% 신뢰수준에서의 관측 및 기대 배제 한계와 비교한다.
• 배제가 성립하는 조건은 가장 민감한 분석에서 모델의 예측 총단면적이 관측 한계를 초과할 경우에만 성립하며, 통계적 신뢰수준을 유지한다.
• 도구는 명령행 인터페이스, Fortran 서브루틴(77/90 형식), 웹 인터페이스를 통해 이용 가능하여 광범위한 접근성을 확보한다.
• 기대되는 한계를 결정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 이는 통계적 민감도 평가에 사용되고 배제 주장의 과도한 해석을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HiggsBounds 2.0.0는 LEP 및 테바트론 데이터를 사용하여 주어진 힉스 모델이 95% 신뢰수준에서 배제되는지 정확하게 판단할 수 있는가?
• RQ2 2.0.0 버전에서 39/53개의 새로운 힉스 검색 분석을 포함함으로써 1.2.0 버전 대비 감도 및 커버리지가 어떻게 향상되었는가?
• RQ3 HiggsBounds 2.0.0은 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 시나리오와 같은 기존의 벤치마크 모델에 대해 기존의 배제 그림을 얼마나 잘 재현하거나 업데이트할 수 있는가?
• RQ4 신호 총단면적이 표준모형과 동일하게 스케일링되지 않는 비표준모형의 경우 프로그램이 어떻게 처리하는가?
• RQ5 HiggsBounds 2.0.0은 4세대 모델이나 Randall-Sundrum 스칼라 섹터와 같은 확장된 힉스 섹터를 가진 모델에 대해 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HiggsBounds 2.0.0는 LEP 및 테바트론 힉스 검색 분석 39개 중 53개를 포함하며, 이는 이전 버전인 1.2.0의 13/36에 비해 크게 증가한 것으로, LEP에서의 $H \to \text{투명한 붕괴}$, $H \to b\bar{b}$, $\tau^+\tau^-H$, 테바트론에서의 $t\bar{t}H$ 및 이중자 힉스 검색과 같은 핵심 분석을 포함한다.
• 프로그램은 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 밸런스 시나리오에 대해 LEP 배제 그림을 성공적으로 재현하였으며, FeynHiggs 2.7.1에서 업데이트된 예측을 사용하여 발표된 결과와 양호한 일치를 보였다.
• 4세대 모델의 경우, HiggsBounds 2.0.0는 힉스 보손에 대해 테바트론 배제 범위 130–220 GeV를 확인하였으며, 이는 이전 연구와 일치한다.
• MSSM $m_h^{\text{max}}$ 시나리오에서 HiggsBounds 2.0.0는 ICHEP'10 테바트론 결과 전부를 포함함으로써 $200\,\text{GeV} < m_A < 220\,\text{GeV}$ 범위에 배제 갭이 존재하는 것으로 나타내었으며, 이는 $\tau\tau$ 분석이 연장된다면 향후 커버리지가 가능할 수 있음을 시사한다.
• Randall-Sundrum 모델(RS1)의 경우, HiggsBounds 2.0.0는 저질량에서 라디언-유사 상태 $\varphi$에 대해 $\gamma\gamma$ 및 $b\bar{b}$ 채널이 가장 민감한 것으로 밝혀졌으며, 표준모형 유사 힉스 보손 $h$는 그 결합과 일치하는 영역에서 배제됨을 확인하였다.
• 이 도구는 각 모델 포인트에 대해 가장 민감한 분석을 정확히 식별함으로써 배제 주장이 통계적으로 타당하고 95% 신뢰수준 요구사항을 유지함을 입증하였다.