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

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

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 75인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 싱게트 확장 표준모형의 맥락에서, 무거운 힉스 보손(H → hh)이 두 개의 힉스 보손으로 붕괴하고, 그 중 하나가 bb̄로, 다른 하나가 WW → ℓ⁺νℓ⁻ν̄로 붕괴하는 경로를 통해 공진형 힉스 보손 쌍 생성을 조사한다. MT2 및 온쉘 재구성 기법을 사용하여, 혼합이 최대이고 BR(H → hh) ≈ 1일 경우, 14 TeV LHC에서 3000 fb⁻¹의 적분광도로 mH ≈ 260–400 GeV 범위에서 3σ의 뜻 있는 신호를 확보할 수 있음을 보여준다. 이는 무거운 힉스 보손 탐색에서 4b 채널과 상호보완적인 역할을 하는 이중 렙톤 채널임을 시사한다.

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 $hh \ ightarrow b \\bar{b} WW \ ightarrow b \\bar{b} \\ell^+ \ u \\ell^- \\bar{\ u}$ 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$\\sigma$ 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

• 싱게트 확장 표준모형에서 무거운 힉스 보손(H)이 두 개의 힉스 보손(H → hh)으로 붕괴하는 경로를 통해 공진형 힉스 보손 쌍 생성을 연구하는 것.
• 14 TeV LHC에서 이중 렙톤 붕괴 채널 hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄의 발견 잠재력을 평가하는 것.
• 임의의 BR(H → hh)에 대해 H → hh, H → ZZ, H → WW 붕괴 채널 간의 상호보완성을 평가하는 것.
• 어두운 물질 후보를 포함하도록 모델을 확장했을 때, 직접 탐측 및 잔류 밀도 제약 조건을 고려하여 모델의 타당성을 조사하는 것.

제안 방법

• 혼합 각도 α를 통해 표준모형 힉스 보손과 실수 스칼라 싱게트가 혼합되는 싱게트 확장 표준모형을 사용한다.
• 이중 렙톤 WW 붕괴 채널에서 투명한 뉴트리노 운동량을 추정하기 위해 운동량 변수 MT2 및 MT2 보조 온쉘 재구성 기법을 적용한다.
• 주요 t̄t 배경을 억제하고 신호의 뜻 있는 정도를 향상시키기 위해 선택 기준 및 MT2 기반 기준을 시행한다.
• 초기 상태 복사(ISR) 제트를 포함한 신호 및 배경 과정의 상세한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 이중 렙톤 시스템의 진동 질량과 재구성된 힉스 질량을 사용하여 배경에서 신호를 분리한다.
• 14 TeV 중심질량 에너지에서 3000 fb⁻¹의 적분광도를 기반으로 통계적 방법을 사용하여 뜻 있는 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 렙톤 붕괴 채널 hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄는 260–500 GeV 범위의 힉스 질량에서 공진형 힉스 쌍 생성을 위한 타당한 발견 채널가능성이 있는가?
• RQ2 14 TeV LHC에서 3000 fb⁻¹ 적분광도 조건 하에서, 이중 렙톤 채널에서 H → hh 공진형 탐지의 가능성이 있는가?
• RQ3 신호의 뜻 있는 정도는 힉스 혼합 각도와 BR(H → hh)에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 다양한 BR(H → hh) 값에서 H → hh, H → ZZ, H → WW 붕괴 채널 간의 상호보완성은 어떠한가?
• RQ5 어두운 물질 후보를 포함하도록 모델을 확장해도 현재의 실험 제약 조건과 충돌하지 않는가?

주요 결과

• 혼합 각도가 현재 실험 제한에 가까울 경우이고 BR(H → hh) ≈ 1이라면, 14 TeV LHC에서 3000 fb⁻¹의 적분광도로 mH = 260–400 GeV 범위에서 약 3σ의 뜻 있는 결과를 확보할 수 있다.
• 더 작은 혼합 각도 또는 더 낮은 BR(H → hh)일 경우, 이중 렙톤 채널만으로는 부족하며, 유사한 뜻 있는 정도를 확보하기 위해 다수의 붕괴 채널을 조합하는 것이 필요하다.
• 이중 렙톤 채널은 mH = 260–500 GeV 범위에서 가장 효율적이며, mH > 500 GeV일 경우 더 민감한 4b 채널과 상호보완적인 탐색 수단이 된다.
• MT2 변수와 함께 투명한 운동량을 온쉘 가정에 기반해 재구성함으로써, 이중 렙톤 최종 상태에서의 신호 대 배경 비율이 크게 향상된다.
• 어두운 물질 후보를 포함하도록 모델을 확장해도 타당성이 유지되며, 다음 세대의 직접 탐측 실험들이 파rameter space의 대부분을 탐색할 것으로 기대된다.
• MT2의 상한은 min{mW, mh/2}에 의해 제약을 받으며, 투명한 운동량이 온쉘 가정에 기반해 재구성될 경우 최대 MT2 값이 도달한다. 이는 이 구조에서 MT2의 사용이 타당함을 검증한다.