[논문 리뷰] Search for Charged Higgs bosons via decays to $W^\pm$ and a 125 GeV Higgs at the Large Hadron Collider

Rikard Enberg, William Klemm외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 14 TeV의 proton-proton 충돌 조건에서, 125 GeV 힉스 보손(Hobs)과 W 보손으로 붕괴하는 전하를 가진 힉스 보손(H±)의 발견 잠재력을 조사한다. 운동량 재구성 및 토프 쿼크 밴드 기법을 사용하여 붕괴 계열 pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν를 분석함으로써, H± → W±Hobs 채널이 두 힉스 더블릿 모델(2HDMs)의 특정 영역, 특히 A2HDM에 대해 300 fb⁻¹ 루미노시티에서 발견 가능성을 가지며, 3000 fb⁻¹에서 감도가 향상됨을 보여준다. 이는 CMS 힉스 신호 강도 제약 조건이 엄격하게 적용되더라도 성립한다.

ABSTRACT

The recent observation of a 125 GeV neutral Higgs boson ($H_{ m obs}$) provides additional input for charged Higgs boson searches in the $H^\pm o W^\pm H_{ m obs}$ decay channel at the Large Hadron Collider (LHC). We reassess the discovery potential in this channel, which is important for $H^\pm$ heavier than the top quark mass. When $H_{ m obs}$ decays to a $b\bar{b}$ pair, knowledge of the Higgs mass aids in the kinematic selection of signal events. We perform a signal-to-background analysis to demonstrate the LHC prospects for charged Higgs discovery in the resulting channel $pp o t(\bar{b})H^- o \ell^\pmν_\ell jj bb\bar{b}(\bar{b})$+h.c. for standard (300 fb$^{-1}$) and high (3000 fb$^{-1}$) luminosities at design energy, $\sqrt{s}=14 { m TeV}$. We find that regions of the parameter space of several two-Higgs doublet models, consistent with constraints from LHC Higgs searches and $b$-physics observables, are testable in this channel.

연구 동기 및 목표

• . LHC에서 H± → W±Hobs 붕괴 채널의 발견 잠재력을 평가한다.
• . 현재 실험 제약 조건 하에서 두 힉스 더블릿 모델(2HDMs), 즉 타입 I, 타입 II, A2HDM에 대한 이 채널의 감도를 평가한다.
• . 알려진 질량 125 GeV를 가진 Hobs → b¯b 붕괴 모드가 신호 선택 및 배경 억제에 어떻게 기여하는지 평가한다.
• . CMS 힉스 신호 강도 제약 조건(µγγ, µZZ)과 b-물리 관측량을 고려할 때, 다양한 2HDM 시나리오에서의 신호 강도를 비교한다.
• . 표준 및 고루미노시티 LHC 운행 조건에서 2σ, 3σ, 5σ 발견 감도 윤곽선을 수립한다.

제안 방법

• . Pythia 6.4.28와 MATCHIG를 사용하여 신호 과정 pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν를 시뮬레이션하여 이중 계산을 방지한다.
• . t¯tb, t¯tW 등 배경 과정을 MadGraph5로 생성하고, 파르톤 쇼어링 및 하드론화를 Pythia 8로 적용한다.
• . DELPHES 3를 통해 ATLAS 유사 파arameter를 사용한 검출기 시뮬레이션을 수행하며, 수정된 b-태깅 효율성(εη = 0.7 for |η| ≤1.2, εη = 0.6 for 1.2 ≤|η| ≤2.5)을 적용한다.
• . 다단계 재구성 및 선택 절차를 구현: 렙톤 및 미량 에너지 요구 조건, 하드론적 및 렙톤적 W 재구성, 토프 밴드(두 가지 전략: '밴드 먼저' 및 '밴드 나중에' 방식), Hobs 재구성(b-제트 쌍으로부터).
• . 질량 제약 조건 적용: 하드론적 W에 대해 |mjj − mW| ≤30 GeV, 렙톤적 W에 대해 |mℓν − mW| = 0, Hobs에 대해 |mbb − 125| ≤15 GeV, 토프 쿼크에 대해 |mWb − mt| ≤30 GeV.
• . 구분 변수로 재구성된 mWHobs를 사용하고, 2σ, 3σ, 5σ 임계값에 대해 통계적 유의도를 S/√B로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . Hobs의 질량가 125 GeV로 알려져 있을 때, H± → W±Hobs 붕괴 채널이 LHC에서 전하를 가진 힉스 보손의 실현 가능한 발견 채널이 될 수 있는가?
• RQ2 . 알려진 질량을 가진 Hobs → b¯b 붕괴 모드가 이 채널에서 신호 대 배경 분리에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 . 현재 실험 제약 조건 하에서 다양한 2HDM 시나리오(타입 I, II, A2HDM)에서 H± → W±Hobs 채널의 발견 범위는 어떠한가?
• RQ4 . CMS 힉스 신호 강도 측정값(µγγ, µZZ)과 b-물리 관측량이 H± → W±Hobs 채널의 테스트 가능한 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 . 다양한 2HDM 모델에서 5σ 발견 감도를 확보하기 위해 필요한 루미노시티(300 fb⁻¹ 대비 3000 fb⁻¹)는 얼마인가?

주요 결과

• . H± → W±Hobs 채널은 2HDMs에서 전하를 가진 힉스 보손의 발견 잠재력을 크게 제공하며, 특히 A2HDM에서 두드러진다. 300 fb⁻¹ 루미노시티에서도 관측 가능한 신호 강도를 보인다.
• . A2HDM에서 mH±가 200–500 GeV이고 tanβ ∈ [1.5,6]인 매개변수 공간의 대부분은 300 fb⁻¹에서 테스트 가능하며, 3000 fb⁻¹에서는 감도가 더욱 향상된다.
• . Z2 대칭 2HDMs(타입 I 및 II)에서는 CMS 제약 조건(µγγ = 1.13±0.24, µZZ = 1.0±0.29) 하에서 신호 강도가 감소하지만, 3000 fb⁻¹에서는 여전히 의미 있는 영역이 발견 가능하다.
• . 토프 밴드 전략(신호 재구성 이전 및 이후 모두 적용)은 t¯tb 및 t¯tW 배경을 효과적으로 억제하여 신호 유의도를 향상시킨다.
• . 특정 A2HDM 점에서 σ(pp → tH±) × BR(H± → W±Hobs) × BR(Hobs → b¯b)는 최대 100 fb에 이를 수 있으며, 3000 fb⁻¹에서 5σ 감도를 초월한다.
• . b-물리 제약 조건(BR(¯B→Xsγ), BR(Bu→τν), BR(Bs→μ+μ−), ∆MBd)가 엄격하게 적용되더라도 A2HDM의 몇몇 점은 300 fb⁻¹에서 여전히 접근 가능하며, 이 채널의 강건성을 입증한다.