[논문 리뷰] Resonant Higgs boson pair production in the $hh ightarrow b\bar{b} \; WW ightarrow b\bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel

Víctor Martín Lozano, J. M. Moreno외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC에서 무거운 스칼라 싱게트론을 통해 공진형 힉스 보손 쌍 생성를 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 붕괴 채널에서 조사한다. $M_{\rm T2}$ 및 은폐된 운동량의 온쉘 재구성과 같은 운동량 변수를 사용하여, 혼합 비율이 현재의 실험적 한계에 가까울 때와 $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$이라면, $m_H = 260$–400 GeV 범위에서 3000 fb$^{-1}$ 루미노시티 조건에서 약 3$\sigma$의 통계적 뜻을 확보할 수 있음을 보여준다. 이 채널은 무거운 힉스 보손에 대해 4$b$ 최종 상태와 상호보완적이다.

ABSTRACT

Adding a scalar singlet provides one of the simplest extensions of the Standard Model. In this work we briefly review the latest constraints on the mass and mixing of the new Higgs boson and study its production and decay at the LHC. We mainly focus on double Higgs production in the $hh ightarrow b \bar{b} WW ightarrow b \bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel. This decay is found to be efficient in a region of masses of the heavy Higgs boson of 260 - 500 GeV, so it is complementary to the 4$b$ channel, more efficient for Higgs bosons having masses greater than 500 GeV. We analyse this di-leptonic decay channel in detail using kinematic variables such as $M_{ m T2}$ and the $M_{ m T2}$-assisted on-shell reconstruction of invisible momenta. Using proper cuts, a significance of $\sim$ 3$σ$ for 3000 fb$^{-1}$ can be achieved at the 14 TeV LHC for $m_H$ = 260 - 400 GeV if the mixing is close to its present limit and ${ m BR}(H ightarrow hh) \approx 1$. Smaller mixing values would require combining various decay channels in order to reach a similar significance. The complementarity among $ H ightarrow hh$, $ H ightarrow ZZ$ and $ H ightarrow WW$ channels is studied for arbitrary ${ m BR}(H ightarrow hh)$ values.

연구 동기 및 목표

• 14 TeV LHC에서 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 붕괴 채널에서 공진형 이중 힉스 생성를 연구하기 위해.
• 무거운 스칼라 싱게트론이 두 개의 힉스 보손으로 붕괴하는 경우, 이 이중 레프톤 최종 상태의 감도를 평가하기 위해.
• 임의의 분해비율에 대해 $H \to ZZ$ 및 $H \to WW$ 붕괴 모드와의 상호보완성을 평가하기 위해.
• 운동량 변수인 $M_{\rm T2}$ 및 은폐된 운동량의 온쉘 재구성을 통해 신호-배경 분리 최적화를 위해.

제안 방법

• 연구는 표준모형의 스칼라 싱게트론 확장 모델을 사용하며, 이 경우 무거운 힉스 보손 $H$는 표준모형 힉스와 혼합되어 $hh$로 붕괴한다.
• $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 붕괴 체인은 $M_{\rm T2}$ 및 은폐된 뉴트리노 운동량의 $M_{\rm T2}$-보조 온쉘 재구성과 함께 전체 이벤트 재구성을 통해 분석된다.
• 운동량 보존 및 횡방향 운동량 균형 조건을 강제하기 위해 운동량 제약 조건이 적용되며, 관계식 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T} + \mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T} + \mathbf{u}_{\rm T} = \mathbf{0}$ 이 사용된다.
• $M_{\rm T2}$ 변수는 주요 분류 기준으로 사용되며, 그 최대값은 $\min\{m_W, m_h/2\}$로 제한되며, 횡방향 운동량 이동에 따라 $\delta\mathbf{u}_{\rm T}$를 조정하여 보정된다.
• 실제 절단 조건과 3000 fb$^{-1}$ 루미노시티 조건을 가정하여, $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$ 및 혼합 비율이 현재의 실험적 한계에 가까울 때의 신호 유의도를 평가한다.
• $H \to hh$, $H \to ZZ$, $H \to WW$ 붕괴 모드 간의 상호보완성은 다양한 분해비율에 대해 분석된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV LHC에서 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 붕괴 채널이 공진형 힉스 쌍 생성에 대해 타당한 서명을 제공할 수 있는가?
• RQ2 3000 fb$^{-1}$ 루미노시티 조건에서 이 최종 상태에서 두 개의 힉스 보손으로 붕괴하는 무거운 스칼라 싱게트론을 탐지할 수 있는 통계적 뜻은 얼마인가?
• RQ3 $M_{\rm T2}$ 및 은폐된 운동량의 온쉘 재구성 기법이 이 채널에서의 신호 대 배경 비율 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 다양한 힉스 보손 질량에 대해 이 채널이 4$b$ 최종 상태에 비해 감도 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 임의의 분해비율에 대해 $H \to hh$, $H \to ZZ$, $H \to WW$ 붕괴 모드 간의 상호작용과 상호보완성은 어떠한가?

주요 결과

• 혼합 비율이 현재의 실험적 한계에 가까울 때와 $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$이라면, 14 TeV LHC에서 $m_H = 260$–400 GeV 범위에서 3000 fb$^{-1}$ 루미노시티 조건에서 약 3$\sigma$의 통계적 뜻을 확보할 수 있다.
• $b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 붕괴 채널은 질량 범위 260–500 GeV의 무거운 힉스 보손에 대해 가장 효율적이며, $m_H > 500$ GeV일 경우 더 민감한 4$b$ 최종 상태와 상호보완적이다.
• $M_{\rm T2}$ 변수와 그 온쉘 재구성 기법은 배경를 효과적으로 억제하고, 특히 적절한 운동량 절단 조건과 결합했을 때 신호 감도를 향상시키는 데 효과적이다.
• $M_{\rm T2}$의 최대값은 $\min\{m_W, m_h/2\}$로 제한되며, 횡방향 운동량 균형 조건 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T}^\text{maos} = - (\mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T}^\text{maos})$ 가 만족될 때 $M_{\rm T2} = m_h/2$ 가 된다.
• 작은 혼합 값은 신호 유의도를 감소시키며, 유사한 감도 수준에 도달하기 위해 다른 붕괴 채널과의 조합이 필요하다.
• 연구는 $H \to hh$, $H \to ZZ$, $H \to WW$ 붕괴 채널이 광범위한 분해비율 범위에서 상호보완적이며, 전체 발견 가능성을 향상시킨다는 것을 확인한다.