[논문 리뷰] Observability of the Higgs Boson in the Presence of Extra Standard Model Families at the Tevatron

E. Arık, Ö. Çakır외 2명|ArXiv.org|2005. 02. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 추가적인 표준모형(SM) 가족(SM-4, SM-5, SM-6)이 존재하는 상황에서 테바트론에서 Higgs 보손의 관측 가능성에 대해 연구하며, 주로 $WW^*$ 붕괴 채널을 중심으로 다룬다. 추가 쿼크 및 레프톤 가족으로 인한 Higgs 생성 단면적의 증가로 인해 D0 및 CDF 실험은 LHC 이전에 중간 질량대 Higgs 보손을 관측할 수 있으며, SM-4 모델에서 8 fb⁻¹ 루미노미티 조건 하에 관측 가능한 질량 한계는 최대 200 GeV까지 확장된다.

ABSTRACT

The observability of the Higgs boson via the WW^* decay channel at the Tevatron is discussed taking into account the enhancements due to the possible existence of the extra standard model (SM) families. It seems that the existence of new SM families can give the Tevatron experiments (D0 and CDF) the opportunity to observe the intermediate mass Higgs boson before the LHC

연구 동기 및 목표

• 추가적인 SM 가족 존재 조건 하에서 테바트론이 LHC 이전에 Higgs 보손을 관측할 수 있는지 평가하기 위해.
• 추가적인 레프톤 가족(SM-4, SM-5, SM-6)이 Higgs 보손 생성 단면적과 분해비율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 루미노미티 조건(2 fb⁻¹ 및 8 fb⁻¹) 하에서 추가 가족을 포함한 모델에서 테바트론에서 관측 가능한 Higgs 질량 범위를 규명하기 위해.
• 4번째 가족의 무거운 중성자의 질량(50 GeV 또는 >100 GeV)이 Higgs 신호 관측 가능성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 직접적인 서명으로서의 글루온 융합 및 단일 공진 상태 생성을 통한 4번째 가족 쿼크 생성 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 확장된 SM 가족의 양성자-양성자 쿼크 결합 및 레프톤 질량을 모델링하기 위해 프레임워크 대칭성과 민주적 질량 행렬 접근법을 사용한다.
• 모든 가족 간 동일한 양성자 결합 상수를 가정하여 질량 행렬을 유도하고, Higgs 결합의 증가를 예측한다.
• 추가적인 레프톤 가족으로 인한 영향을 포함한 $WW^*$ 최종 상태로의 Higgs 생성 단면적과 분해비율의 곱을 계산한다.
• 이론적 예측과 예상되는 테바트론 루미노미티를 바탕으로 95% 신뢰수준(C.L.) 배제 한계를 통계적으로 분석한다.
• 2 fb⁻¹ 및 8 fb⁻¹의 통합 루미노미티 조건 하에서 이론적 예측를 실험적 배제 한계와 비교한다.
• 중성자 질량 두 가지 시나리오($m_\nu \approx 50$ GeV 및 $m_\nu > 100$ GeV)를 고려하여 감도 변화를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적인 SM 가족 존재 조건 하에서 테바트론은 LHC 이전에 Higgs 보손을 관측할 수 있는가?
• RQ2 추가적인 SM 가족은 $WW^*$ 붕괴 채널에서 Higgs 보손 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2 fb⁻¹ 및 8 fb⁻¹ 루미노미티 조건 하에서 SM-4, SM-5, SM-6 모델에서 테바트론에서 관측 가능한 Higgs 질량 한계는 무엇인가?
• RQ4 4번째 가족의 무거운 중성자 질량은 Higgs 보손 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 테바트론은 증가된 글루온 융합 또는 단일 공진 상태 생성을 통해 4번째 가족 쿼크의 서명을 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 8 fb⁻¹의 통합 루미노미티 조건 하에서, 테바트론은 Higgs 질량 140 GeV < $m_H$ < 200 GeV 범위에서 SM-4 모델을 배제하거나 확인할 수 있다.
• SM-5 모델에서 $m_\nu \approx 50$ GeV 조건 하에, 테바트론은 8 fb⁻¹ 루미노미티에서 150 GeV 이상의 Higgs 질량을 탐색할 수 있고, 2 fb⁻¹ 루미노미티에서는 155 GeV 이상을 탐색할 수 있다.
• SM-6* 모델($m_\nu \approx 50$ GeV 조건)은 Higgs 질량 165 GeV에서 185 GeV 사이에서 95% C.L.로 배제된다.
• 2 fb⁻¹ 루미노미티 조건 하에서, 테바트론은 불안정한 중성자를 포함한 SM-4(불안정 중성자) 모델에 대해 $m_H$가 150 GeV에서 180 GeV 사이의 질량 범위에서 배제하거나 확인할 수 있다.
• 제4의 표준모형 가족이 존재할 경우, LHC는 황금 모드 $H \to ZZ \to \ell\ell\ell\ell$를 통해 전체 Higgs 질량 범위를 커버할 것으로 예상된다.
• 4번째 표준모형 가족 존재 조건 하에서, 글루온 융합에 의한 Higgs 생성 단면적은 최대 약 8배까지 증가한다.