[논문 리뷰] Multi-lepton signatures of additional scalar bosons beyond the Standard Model at the LHC

S. E. von Buddenbrock, Alan S. Cornell외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 표준모형을 초월한 두 개의 가상의 스칼라 보손 H와 S에 의한 다중 렙톤 신호를 조사한다. H는 글루온 융합 또는 토프-연관 생성을 통해 생성되며, S와 h로 붕괴되며, S는 렙톤으로 붕괴된다. 토프-요카다 상호작용 강도의 최적 적합 값은 β²g = 1.38 ± 0.22로, 런 2 데이터에서 잠재적인 새로운 물리 현상의 신호를 시사한다.

ABSTRACT

Following a prediction made in Refs.~\cite{vonBuddenbrock:2015ema,Kumar:2016vut,vonBuddenbrock:2016rmr}, this paper focuses on multi-lepton signatures arising from two new hypothetical scalar bosons, $H$ and $S$, at the Large Hadron Collider (LHC). These two new bosons are an extension to the Standard Model (SM) and interact with the SM Higgs boson, $h$. We consider two production modes for $H$, one being gluon fusion and the other being in association with top quarks. The $H o S h$ decay mode is considered, where leptonic final states are studied. The CP properties of $S$ are characterised by considering effective couplings derived from dimension six operators through $SWW$ vertices. The nature of the $S$ boson is considered in two separate contexts. Firstly in a simplified model, it is considered to have Higgs-like couplings. Secondly, we consider a heavy neutrino model and its interactions with the $Z, W$ and $S$ bosons. The predictions of the models are compared both to ATLAS and CMS results at $\sqrt{s} = 8$ and $13$~TeV, where appropriate. The data is interpreted using a simplified model where all the signal comes from $H o S h$, assuming $S$ to be Higgs-like, $m_H=270$~GeV and $m_S=150$~GeV. The combined result yields gives a best fit value for the parameter $β_g$ (the strength of the Yukawa coupling of $H$ to top quarks), $β_g^2=1.38\pm 0.22$. A number of regions of the phase space are suggested to the experiments for further exploration.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 LHC에서 추가 스칼라 보손 H와 S에 기인한 다중 렙톤 최종 상태를 조사한다.
• H→Sh의 분해비가 100%이고 S가 렙톤으로 붕괴되는 단순화된 모델을 테스트하며, mH=270 GeV와 mS=150 GeV를 가정한다.
• √s=8 TeV 및 13 TeV에서 ATLAS와 CMS 데이터와의 예측을 비교하여 토프-요카다 상호작용 강도 βg를 제약한다.
• 효과적 차수 6 연산자를 통해 SWW 상호작용의 CP 성질을 탐색하고, 힉스 유사 상호작용을 무거운 중성자 모델과 비교한다.
• 미래 실험적 탐색을 위한 새로운 물리 현상에 대한 최대 민감도를 보이는 운동량 공간 영역을 규명한다.

제안 방법

• √s=13 TeV에서 글루온 융합(gg→H) 및 토프-연관 생성(pp→tH, t̄H, tt̄H)을 통한 H 생성을 시뮬레이션한다.
• H→Sh의 분해비가 100%라고 가정하고, S→ℓ⁺ℓ⁻ 또는 S→Nᵢνₗ를 중성자 모델에서 고려하며, 암흑 물질로의 은폐 붕괴는 없음을 가정한다.
• 효과적 필드 이론을 사용하여 차수 6 연산자를 통해 SWW 상호작용을 모델링하고, CP 민감도가 있는 운동량 분포를 연구한다.
• 이벤트 수준 분석을 통해 이-렙톤, 삼-렙톤 및 사-렙톤 최종 상태에 집중하며, 진동 질량, ∆ϕ 및 횡방향 질량 분포를 분석한다.
• Run 1 및 Run 2의 ATLAS와 CMS 이-렙톤 진동 질량 데이터에 모델 예측을 적합하며, β²g를 자유 매개변수로 사용한다.
• 신호 예측을 표준모형 배경과 비교하고, 다양한 렙톤 최종 상태 및 제트 다중도에 따른 구분 능력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H→Sh→4W 생성에서 다중 렙톤 최종 상태는 런 1에서 관측된 힉스의 횡방향 운동량 및 관련 제트 활성도의 지속적 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 글루온 융합 및 토프-연관 생성의 맥락에서 H→Sh 붕괴에 대한 토프-요카다 상호작용 강도 β²g의 최적 적합 값은 무엇인가?
• RQ3 S의 SWW 정점에서의 CP-홀 및 CP-짝성 상호작용은 사-렙톤 최종 상태의 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 무거운 중성자 모델과 비교했을 때, S의 힉스 유사 상호작용은 신호 구분 능력에서 얼마나 다를까?
• RQ5 다중 렙톤 최종 상태에서 어떤 운동량 공간 영역이 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 가장 높은 민감도를 보이는가?

주요 결과

• ATLAS와 CMS 데이터에 대한 통합 적합 분석 결과, β²g = 1.38 ± 0.22의 최적 적합 값이 도출되었으며, 이는 새로운 스칼라 보손 H의 토프-요카다 상호작용 강도가 크게 증가했음을 시사한다.
• mS=150 GeV인 힉스 유사 S 모델은 OS 및 SS 채널 모두에서 이-렙톤 진동 질량 분포에 잘 맞는다. 다만, SS 채널의 통계량은 제한되어 있다.
• ∆ϕℓℓ 및 이-렙톤 시스템의 횡방향 질량과 같은 운동량 분포는 H→Sh→4W 신호에서 표준모형 예측과 명백한 이격을 보이며, 특히 삼-렙톤 및 사-렙톤 최종 상태에서 두드러진다.
• S의 SWW 상호작용의 텐서 구조는 최종 상태 렙톤의 각도 분포에 영향을 미치며, CP-홀 성분은 ∆ϕ 및 cosθ 분포에서 특징적인 패턴을 보인다.
• 삼-렙톤 채널은 신호에 대해 높은 민감도를 보이며, 부족한 횡방향 에너지 및 렙톤-제트 각도 간격에서 명백한 차이를 보인다.
• 고제트 다중도 및 특정 렙톤 쌍 구성(예: 같은 전하의 쌍)을 가진 영역는 신호 대 배경 비율이 향상되어 향후 실험적 탐색에 유망한 방향을 제시한다.