[논문 리뷰] Prospects for direct searches for light Higgs bosons at the ILC with 250 GeV

P. Drechsel, Gudrid Moortgat‐Pick외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 √s = 250 GeV에서 운용되는 국제 선형 충돌기(ILC)에서 경량 힉스 보손의 직접 탐지 가능성을 평가한다. 이는 $\phi \to b\bar{b}$ 붕괴 모드와 붕괴 모드에 의존하지 않는 반동 기법을 모두 사용한다. 500 fb⁻¹의 루미노사티 및 펄라라이제이션된 입자 비드를 사용할 경우, ILC는 LEP에 비해 게이지 보손과의 결합이 억제된 경량 힉스 보손에 대해 10배 이상의 감도 향상을 달성하며, 향후 HL-LHC의 간접 감도를 초월한다.

ABSTRACT

The particle discovered in the Higgs boson searches at the LHC with a mass of about 125 GeV is compatible within the present uncertainties with the Higgs boson predicted in the Standard Model (SM), but it could also be identified with one of the neutral Higgs bosons in a variety of Beyond the SM (BSM) theories with an extended Higgs sector. The possibility that an additional Higgs boson (or even more than one) could be lighter than the state that has been detected at 125 GeV occurs generically in many BSM models and has some support from slight excesses that were observed above the background expectations in Higgs searches at LEP and at the LHC. The couplings between additional Higgs fields and the electroweak gauge bosons in BSM theories could be probed by model-independent Higgs searches at lepton colliders. We present a generator-level extrapolation of the limits obtained at LEP to the case of a future $e^+e^-$ collider, both for the search where the light Higgs boson decays into a pair of bottom quarks and for the decay-mode-independent search utilising the recoil method. We find that at the ILC with a c.m. energy of 250 GeV, an integrated luminosity of 500 fb^{-1} and polarised beams, the sensitivity to a light Higgs boson with reduced couplings to gauge bosons is improved by more than an order of magnitude compared to the LEP limits and goes much beyond the projected indirect sensitivity of the HL-LHC with 3000 fb^{-1} from the rate measurements of the detected state at 125 GeV.

연구 동기 및 목표

• 확장된 힉스 섹터를 가진 봉쇄된 표준모형 이론에서 ILC에서의 경량 힉스 보손에 대한 직접 탐지 감도를 평가하기 위해.
• 게이지 보손과의 결합이 억제된 경량 힉스 보손이 LEP와 LHC에서 약한 결합으로 인해 탐지되지 않았을 수 있는 문제를 다루기 위해.
• ILC의 청결한 환경, 펄라라이제이션된 입자 비드, 고루미노사티가 HL-LHC의 간접 측정보다 경량 힉스 보손에 대해 훨씬 뛰어난 감도를 제공할 수 있음을 입증하기 위해.
• 두 가지 검색 전략인 $\phi \to b\bar{b}$ 및 반동 기반 전략에 대해 생성기 수준 시뮬레이션을 사용하여 LEP 기반 한계를 ILC로 외삽하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 동일한 분석 기법을 LEP에서 사용한 바와 같이, LEP 한계의 생성기 수준 외삽을 수행하여 ILC 감도를 추정한다.
• 이 연구는 두 가지 검색 전략을 사용한다: (1) $\phi \to b\bar{b}$ 붕괴 모드와 (2) 붕괴 모드에 의존하지 않는 반동 기법으로, 둘 다 힉스 스트라할링 생성 $e^+e^- \to Z\phi$ 기반이다.
• 신호 효율성과 검출기 효과를 고려하기 위해, ILC 외삽에서 정규화 요소 $c_{\rm bb}$와 $c_{\rm recoil}$를 LEP 데이터로부터 유도한다.
• ILC 조건은 √s = 250 GeV, $P_{e^-} = -80\%$, $P_{e^+} = +30\%$, 통합 루미노사티 500 fb⁻¹으로 설정되며, 보수적인 추정치로 간주된다.
• 분석은 $\phi \to b\bar{b}$ 및 반동 기반 검색에 대해 알려진 LEP 한계를 재현함으로써 방법의 타당성을 검증한다.
• 추가 힉스 보손의 결합이 억제될 것이라는 기대를 정당화하기 위해, 합 규칙 $\sum_i (g_{\phi_i VV})^2 = (g^{\rm SM}_{HVV})^2$ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 250 GeV에서 운용되는 ILC는 게이지 보손과의 결합이 억제된 경량 힉스 보손에 대해 LEP에 비해 현저히 향상된 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 경량 힉스 보손에 대해 ILC의 직접 탐지 감도는 HL-LHC 힉스 비율 측정의 간접 감도와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 붕괴 모드에 관계없이 반동 기법이 경량 힉스 보손을 얼마나 잘 탐지할 수 있는가? 특히 붕괴 분율이 알려져 있지 않을 경우에 대해.
• RQ4 ILC의 펄라라이제이션된 입자 비드와 고정밀 환경이 강입자 충돌기에서 불가능한 바를 초월해 경량 힉스 보손의 발견 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 ILC의 직접 탐지 감도는 HL-LHC에서 125 GeV 힉스 보손의 정밀 측정으로부터 유도된 간접 감도를 초월하는가?

주요 결과

• √s = 250 GeV, 500 fb⁻¹ 루미노사티, 펄라라이제이션된 입자 비드를 갖는 ILC는 게이지 보손과의 결합이 억제된 경량 힉스 보손에 대해 LEP 한계에 비해 10배 이상 감도 향상을 달성한다.
• ILC의 직접 탐지 감도는 향후 3000 fb⁻¹의 최종 루미노사티를 고려한 HL-LHC의 간접 감도를 초월한다.
• ILC의 $\phi \to b\bar{b}$ 붕괴 모드 검색 감도는 ILC 자체의 125 GeV 힉스 보손이 Z 보손과의 결합을 정밀 측정한 간접 감도를 초월한다.
• ILC의 반동 기반 검색 방법은 간접 ILC 감도와 유사한 감도를 확보하며, 잠재적 초과 현상의 성격을 규명하는 데 보완적인 정보를 제공한다.
• 이 방법은 $\phi \to b\bar{b}$ 및 반동 기반 검색에 대해 알려진 LEP 한계를 성공적으로 재현하여 ILC로의 외삽 접근법의 타당성을 검증한다.
• 질량 범위 60–100 GeV에서, ILC의 직접 탐지 감도는 NMSSM, N2HDM, 그리고 경량 싱귤러를 가진 2HDM 등에서 선호되는 매개변수 영역을 탐색할 것으로 예상된다.