[논문 리뷰] Projections for Two Higgs Doublet Models at the LHC and ILC: A Snowmass White Paper

Chien-Yi Chen|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 스노우마스 화이트 페이퍼는 현재 및 향후 히iggs 신호 강도 측정과 무거운 히iggs 검색을 바탕으로 LHC와 ILC가 두 히iggs 두중체 모델(2HDM)에 대해 갖는 민감도를 예측한다. LHC와 ILC 데이터—특히 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹ 루미노시티에서의 데이터—는 상호보완적이며, ILC는 250–1000 GeV에서 큰 tanβ 영역에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공하는 반면, LHC의 무거운 히iggs 검색은 낮은 tanβ 매개변수 영역을 강하게 제약한다.

ABSTRACT

The discovery of the 125 GeV Higgs boson and the measurement of its branching ratios has initiated the exploration of the electroweak symmetry breaking sector. There have been numerous studies exploring the restrictions these results place on the parameter space of two Higgs doublet models. We extend these results to include the full data set and study the expected sensitivity that can be obtained with 300 and 3000 inverse femtobarn of integrated luminosity. In addition, searches for a heavy Standard Model Higgs boson are also considered. It is shown that the nonobservation of such a Higgs boson can substantially narrow the allowed regions of parameter space in two Higgs doublet models. Finally, projections for the ILC at the center of mass energy 250, 500, and 1000 GeV are investigated.

연구 동기 및 목표

• 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹ 통합 루미노시티를 가진 현재 및 향후 LHC 데이터를 활용하여 두 히iggs 두중체 모델(2HDM) 매개변수 영역에 대한 제약 조건을 평가하기.
• 국제 선형 충돌기(ILC)가 √s = 250, 500, 1000 GeV에서 2HDM에 대해 갖는 민감도를 평가하며, 특히 히iggs 결합 및 무거운 히iggs 검색의 맥락에서 고려한다.
• 개별 실험이 약한 민감도를 보이는 영역에서 LHC와 ILC 간의 상호보완성에 대해 조사한다.
• LHC에서 무거운 표준모형 유사 히iggs 보손의 비관측이 2HDM 매개변수 영역을 크게 좁힐 수 있는지 분석한다.
• 신호 강도 측정과 결합 패턴을 기반으로 4종류의 2HDM 유형(유형 I, II, 렙톤 특이, 플립드) 간의 제약 조건을 종합적으로 비교한다.

제안 방법

• 표준모형 예측이 옳다고 가정하고, ATLAS, CMS 및 테바트론의 측정된 히iggs 신호 강도에 대해 χ² 피팅을 수행하며, 오차는 루미노시티에 따라 1/√N 비례로 스케일링한다.
• 표준모형 히iggs 결합을 기준으로 하며, 이격도는 cos(β−α) 및 tanβ로 매개변수화하고, 각 2HDM 유형에 대해 표 1 및 표 2의 결합 패턴을 적용한다.
• CMS 고루미노시티 예측에서 유래한 '스키마 2' 접근 방식을 따르며, 현재 실험적 불확도를 루미노시티에 따라 √(루미노시티) 비례로 스케일링하여 LHC의 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹ 민감도를 예측한다.
• √s = 250, 500, 1000 GeV에서 ILC의 민감도를 예측하며, 히iggs 결합의 정밀 측정과 무거운 히iggs 보손의 발견 가능성에 집중한다.
• LHC의 표준모형 히iggs 검색 결과를 2HDM에서의 무거운 히iggs 보손 검색으로 재구성하며, 특히 M_H = 200 GeV에서 매개변수 영역에 대한 제약 조건을 평가한다.
• LHC 및 ILC 예측을 통합한 95% 신뢰수준 등고선을 사용하여 각 2HDM 유형의 (cos(β−α), tanβ) 평면에서 허용 가능한 매개변수 영역을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹의 향후 LHC 루미노시티가 현재 데이터에 비해 2HDM 매개변수 영역에 대한 제약 조건을 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 ILC가 250, 500, 1000 GeV에서 각기 다른 2HDM 유형에 대해 얼마나 민감한가, 그리고 LHC 제약 조건과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 LHC에서의 무거운 히iggs 검색이 2HDM의 허용 가능한 매개변수 영역, 특히 낮은 tanβ에서 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 LHC와 ILC가 상호보완적인 제약 조건을 제공하는 (cos(β−α), tanβ) 평면의 영역은 어디인가?
• RQ5 4종류의 2HDM 유형(I, II, 렙톤 특이, 플립드) 간 제약 조건는 어떻게 다를까, 특히 큰 및 작은 tanβ 영역에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 200 GeV의 무거운 히iggs를 가진 유형-I 2HDM에서, 무거운 히iggs 검색 제약 조건을 포함하면, 단순히 신호 강도 측정만으로 얻은 영역에 비해 허용 가능한 매개변수 영역이 두 배 이상 감소한다.
• 낮은 tanβ 영역(tanβ < 4)에서는 LHC의 무거운 히iggs 검색 제약 조건이 가장 엄격하며, 이 영역에서는 LHC 및 ILC의 결합 측정이 상대적으로 효과가 떨어진다.
• 큰 tanβ 영역에서는 ILC의 250 GeV(일명 ILC2) 및 1000 GeV(일명 ILC3) 예측이 LHC의 경량 히iggs 측정보다 더 강력한 제약 조건을 제공한다. 특히 유형-I 및 렙톤 특이 모델에서 두드러진다.
• 유형-II 및 플립드 모델에서는 바텀 쿼크와의 결합 g_hbb = sinα/cosβ가 √(1 + tan²β) 비례로 증가하므로, 큰 tanβ에서 더 강력한 제약 조건이 발생하며, 이로 인해 두 모델이 유사한 수준으로 제약받는다.
• 유형-II 및 플립드 모델의 (cos(β−α), tanβ) 평면에서 허용 영역은 cos(β−α) = 1 근처에 집중되어 있으며, tanβ가 증가함에 따라 바텀 쿼크 결합 제약 조건으로 인해 크게 좁아진다.
• 1000 GeV에서의 ILC(일명 ILC3)는 큰 tanβ 영역에서 가장 엄격한 제약 조건을 제공하며, 특히 유형-I 및 렙톤 특이 모델에서 두드러진다. 이는 고에너지 정밀 측정의 중요성을 보여준다.