[논문 리뷰] Searching for Signs of the Second Higgs Doublet

Nathaniel Craig, Jamison Galloway외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 119

한 줄 요약

이 논문은 발견된 표준모형 유사 힉스의 결합을 잠재적 추가 스칼라 신호로 연결하여 두 힉스 듀블릿 모형(2HDMs)에서 두 번째 힉스 듀블릿을 탐색하기 위한 전략을 개발한다. 가벼운 힉스의 결합이 표준모형 예측에서 몇 퍼센트 이내일 경우, $H\to hh$와 $A\to Zh$는 핵심 탐색 채널로 식별되며, 극도로 표준모형 유사인 결합을 가진 경우 $\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$ 붕괴는 중요한 탐색 수단이 된다.

ABSTRACT

The search for evidence of extended electroweak symmetry breaking has entered a new phase with the discovery of a Standard Model (SM)-like Higgs at the LHC. The measurement of Higgs couplings and direct searches for additional scalars provide complementary avenues for the discovery of new degrees of freedom. This complementarity is particularly sharp in two Higgs doublet models (2HDMs) where the couplings of the SM-like Higgs may be directly related to the LHC signals of additional scalars. In this work we develop a strategy for searching for the second Higgs doublet given the LHC signals of the recently discovered SM-like Higgs. We focus on a motivated parameter space of flavor- and CP-conserving 2HDMs in which the couplings of all scalars to SM states are controlled by two parameters. We construct fits in this parameter space to the signals of the SM-like Higgs and translate these fits into signal expectations for future measurements of both the SM-like Higgs and additional scalars, identifying the most promising search channels for discovery or exclusion of new physics. When kinematically accessible, decays of the heavy neutral scalar Higgs to two light Higgs scalars, $H o hh$, and decays of the pseudoscalar Higgs to a light Higgs scalar and $Z$ boson, $A o Zh$, provide promising avenues for discovery even when the couplings of the light Higgs are within a few percent of SM predictions. When the couplings of the light Higgs are exceptionally close to those of the SM, decays of heavier neutral scalars to $γγ$ and $τ^+ τ^-$ become particularly important for discovery.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 유사 힉스의 결합을 플레이어 및 CP를 보존하는 2HDM에서 추가 스칼라의 것과 연결 맵핑하기.
• 2HDM 매개변수 공간에서 새로운 물리 현상을 탐지하거나 배제하기 위한 가장 민감한 탐색 채널 식별하기.
• LHC에서의 표준모형 유사 힉스 데이터를 활용해 더 무거운 힉스 상태의 신호를 예측하고, 특히 가벼운 힉스 결합이 거의 표준모형 유사일 경우에 초점 맞추기.
• 미래 LHC 측정치의 맥락에서 $H\to hh$, $A\to Zh$, $\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$ 붕괴의 탐색 가능성 평가하기.
• 관련된 힉스 신호를 활용해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위한 예측 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• LHC에서의 표준모형 유사 힉스 데이터(아틀라스, CMS, CDF, DØ)를 바탕으로 신호 강도 수정자 $\hat{\mu}$와 생성 효율성 $\zeta^{(G,V,T)}$를 사용해 종합 피팅 수립.
• 트리 수준의 FCNC와 CP 위반을 피하는 두 개의 혼합 각도로 모든 결합을 제어하는 타당한 2HDM 하위공간에 집중.
• 표준모형 유사 힉스의 결합 피팅 결과를 바탕으로 추가 스칼라($H$, $A$, $H^{\pm}$)의 생성 및 붕괴 비율에 대한 예측 수행.
• 핵심 채널인 $H\to hh$, $A\to Zh$, $\gamma\gamma$, $\tau^+\tau^-$, $b\bar{b}$에서의 신호 강도 예측을 통해 탐색 가능성 평가.
• 7, 8, 14 TeV 런에서의 실험 데이터를 활용해 2HDM 매개변수 공간을 제약하고 향후 탐색 가능 범위 예측.
• 통계적 방법을 적용해 통합된 LHC 및 테바트론 데이터에서 최적 피팅 신호 강도와 불확도 추출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 힉스 스칼라의 어떤 생성 및 붕괴 채널이 2HDM에서 두 번째 힉스 듀블릿을 탐지하는 데 가장 민감한가?
• RQ2 표준모형 유사 힉스의 결합 제약 조건이 더 무거운 힉스 상태에 대한 예측적 신호로 어떻게 전환되는가?
• RQ3 가벼운 힉스 결합이 표준모형 예측에서 몇 퍼센트 이내일 경우 가장 유망한 탐색 채널은 무엇인가?
• RQ4 가벼운 힉스 결합이 표준모형 값에 매우 가까울 경우 탐색 가능성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 기타 채널이 억제될 경우, $\gamma\gamma$ 및 $\tau^+\tau^-$와 같은 희귀 붕괴는 2HDM 매개변수 공간 탐색에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 가벼운 힉스 결합이 표준모형 예측에서 몇 퍼센트 이내일 경우, 붕괴 채널 $H\to hh$는 강력한 탐색 신호를 제공한다.
• 같은 조건에서 붕괴 $A\to Zh$는 매우 유망한 탐색 채널로, $Z$ 보손과 표준모형 유사 힉스를 동반한 깔끔한 서명을 제공한다.
• 가벼운 힉스 결합이 극도로 표준모형 값에 가까울 경우, 더 무거운 중성 스칼라의 $\gamma\gamma$ 및 $\tau^+\tau^-$ 붕괴가 가장 민감한 탐색 수단이 된다.
• $H\to hh$ 채널에서 $\gamma\gamma$의 신호 강도 예측은 (ec) 구성을 기준으로 $\hat{\mu} \approx 10.39$에 도달하여 높은 탐색 가능성 시사.
• $\gamma\gamma$ 채널에서 고질량 이지젯 태깅을 적용한 경우, $\hat{\mu} = 2.76^{+1.73}_{-1.35}$로 나타나 무거운 힉스 붕괴에 민감함을 보인다.
• $\gamma\gamma$ 채널에서 미소 에너지($E_T^{\rm miss}$)를 고려한 경우 $\hat{\mu} = 2.98^{+2.70}_{-2.15}$로 나타나 고미소 에너지 최종 상태에서 새로운 물리 현상을 탐지할 잠재력이 높음을 시사한다.