[논문 리뷰] Search for doubly charged Higgs bosons through VBF at the LHC, and beyond

G. Bambhaniya, Joydeep Chakrabortty외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 LHC 및 향후 충돌기에서 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(MLRSM)에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손의 생성과 탐지에 대해 연구한다. FCNC 및 진공 안정성 제약에도 불구하고 모형은 1 TeV 이하의 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손 질량을 허용하지만, HL-LHC(14 TeV, 3000 fb⁻¹)는 감도가 부족하다. 향후 FCC-hh(100 TeV)에서 3000 fb⁻¹의 데이터로 1 TeV 이하의 질량을 7 이상의 의미 있는 수준에서 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Production and decays of doubly charged Higgs bosons at the LHC and future hadron colliders triggered by vector boson fusion mechanism are discussed in the context of the Minimal Left-Right Symmetric Model. Our analysis is based on the Higgs boson mass spectrum compatible with available constraints which include FCNC effects and vacuum stability of the scalar potential. Though the parity breaking scale $v_R$ is large ($\sim$ few TeV) and scalar masses which contribute to FCNC effects are even larger, consistent Higgs boson mass spectrum still allows us to keep doubly charged scalar masses below 1 TeV which is an interesting situation for LHC and future FCC colliders. We have shown that allowed Higgs bosons mass spectrum constrains the splittings ($M_{H_{1}^{\pm \pm}}-M_{H_{1}^\pm}$), closing the possibility of $H_{1}^{\pm\pm} o W_{1}^\pm H_{1}^\pm$ decays. Assuming that doubly charged Higgs bosons decay predominantly into a pair of same sign charged leptons through the process $p p ightarrow H_{1/2}^{\pm \pm} H_{1/2}^{\mp \mp} j j ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\pm} \ell^{\mp} \ell^{\mp} jj$, we find that for LHC operating at $\sqrt{s}=14$ TeV with an integrated luminosity at the level of $3000\,\mathrm{fb}^{-1}$ (HL-LHC) there is practically no chance to detect such particles at the reasonable significance level through this channel. However, 33 TeV HE-LHC and (or) 100 TeV FCC-hh open up a wide region for doubly charged Higgs boson mass spectrum to be explored. In FCC-hh, doubly charged Higgs bosons mass up to 1 TeV can be probed easily.

연구 동기 및 목표

• 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손이 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(MLRSM)에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통해 탐지 가능한지 탐색하기.
• 엄격한 제약 조건—형광변화 중성미류 전류(FCNC), 진공 안정성, LEP/ATLAS 한계—이 힉스 질량 스펙트럼에 미치는 영향 평가하기.
• 동일 전하 쌍 레프톤으로 붕괴하는 VBF 생성 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손에 대한 LHC 및 향후 FCC 충돌기의 감도 평가하기.
• 동일한 $H^{\pm\pm}$ 질량에서 MLRSM의 신호 단면적을 타입-II 시즈모델과 비교하여 구별 가능성 평가하기.

제안 방법

• FCNC, 진공 안정성, LEP/ATLAS 제약 조건을 만족하는 일관된 MLRSM 힉스 질량 스펙트럼 구성하기.
• FeynRules(v2.0.31)를 사용해 MLRSM 라그랑지안을 구현하고 몬테카를로 시뮬레이션을 위한 모델 파일 생성하기.
• ALPGEN(v2.14), MadGraph(v2.2.2), PYTHIA(v6.421)를 사용해 현실적인 절단 조건을 적용한 신호 및 배경 생성하기.
• VBF 특화 절단 조건(예: 큰 빠르기 분리, 전방 제트의 높은 진동 질량)을 적용해 VBF 유사 사건 분리하기.
• 최종 상태 $pp \to H^{\pm\pm}H^{\mp\mp}jj \to \ell^\pm\ell^\pm\ell^\mp\ell^\mp jj$에 대한 신호 단면적과 표준모형 배경 계산하기.
• 100 TeV에서 통합 루미너스리티까지 3000 fb⁻¹까지의 경우를 대비해 $S/\sqrt{B}$ 및 $S/\sqrt{S+B}$ 근사법을 사용해 의미 있는 수준 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCNC 및 진공 안정성 제약 조건을 만족하면서도 MLRSM이 1 TeV 이하의 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손을 수용할 수 있는가?
• RQ2 $H^{\pm\pm}$의 동일 전하 레프톤으로의 붕괴 분율은 얼마이며, $H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$ 붕괴 채널은 이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HL-LHC($\sqrt{s} = 14$ TeV, $\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹)에서 동일 전하 쌍 레프톤 최종 상태에서 VBF 생성 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손의 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ4 VBF 채널에서 $H^{\pm\pm}$ 탐지에 5σ의 의미 있는 수준을 확보하기 위해 필요한 충돌기 에너지 및 루미너스리티는 무엇인가?
• RQ5 동일한 $H^{\pm\pm}$ 질량에서 MLRSM의 신호 단면적은 타입-II 시즈모델과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• MLRSM는 $v_R \sim \text{수 테바볼트}$ 조건에서도 FCNC 및 진공 안정성 제약 조건을 만족하면서도 1 TeV 이하의 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손 질량을 허용한다.
• 질량 분리 $M_{H^{\pm\pm}} - M_{H^{\pm}} < M_{W_1}$로 인해 $H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$ 붕괴가 억제되어 동일 전하 쌍 레프톤 붕괴가 지배적이다.
• HL-LHC($\sqrt{s} = 14$ TeV, $\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹)에서는 $H^{\pm\pm}$ 질량이 500 GeV 이하일 경우 유의미한 신호가 기대되지 않는다.
• 33 TeV에서 700 fb⁻¹일 경우, $M_{H^{\pm\pm}} = 500$ GeV에 대해 5σ의 의미 있는 수준을 확보할 수 있다; 100 TeV에서 100 fb⁻¹일 경우 동일한 질량에서 동일한 의미 있는 수준을 확보할 수 있다.
• $M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeV일 경우, 100 TeV FCC-hh에서 $\geq 1000$ fb⁻¹일 때에만 5σ의 의미 있는 수준을 확보할 수 있다.
• 100 TeV FCC-hh에서 3000 fb⁻¹일 경우, $M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeV에 대해 7의 의미 있는 수준을 확보할 수 있으며, 이는 1 TeV 질량 범위를 완전히 탐색할 수 있음을 의미한다.