[논문 리뷰] "Silver" mode for heavy Higgs search in the presence of a fourth SM family

S. Sultansoy, G. Ünel|ArXiv.org|2007. 07. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 제4 표준모형 가족이 존재하는 조건에서 무거운 힉스 보손(300–500 GeV)을 발견하기 위한 경쟁 가능한 채널로 '실버' 모드—h → ν₄ν̄₄ → μWμW → μjjμjj—를 제안한다. 이 모드는 분해비율 증가와 더불어 청소년적인 뮤온 전용 최종 상태 덕분에 황금 모드(ZZ → ℓℓℓℓ) 대비 신호 수확량을 최대 15배 향상시킨다. 이는 LHC에서 1 fb⁻¹ 루미노미티 조건에서 무거운 힉스 보손과 제4가족 뉴트리노를 동시에 발견할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We investigate the possible enhancement to the discovery of the heavy Higgs boson through the possible fourth SM family heavy neutrino. Using the channel h-> v4 v4->mu W mu W-> mu j j mu j j, it is found that for certain ranges of Higgs boson and v4 masses LHC could discover both of them simultaneously with 1 fb^-1 integrated luminosity.

연구 동기 및 목표

• 제4 표준모형 가족이 존재하는 조건에서 무거운 힉스 보손을 위한 새로운 발견 채널을 탐색하기 위해.
• 표준 '황금' 모드와의 경쟁 가능한 대안으로 h → ν₄ν̄₄ → μWμW 붕괴 체인이 타당한지 평가하기 위해.
• 제4가족 뉴트리노 붕괴에서 유도되는 신호 증폭을 정량화하고 LHC에서의 탐지 가능성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 1 fb⁻¹ 루미노미티 조건에서 무거운 힉스 보손과 제4가족 뉴트리노를 동시에 발견할 수 있는 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 데이터와 호환되는 4×4 렙톤 CKM 행렬 매개변수화를 사용하여 힉스 보손 붕괴 h → ν₄ν̄₄를 모델링하기 위해.
• 히iggs 및 ν₄ 질량에 따라 h → ν₄ν̄₄의 분해비율을 계산하여, m_h=300 GeV일 때 m_ν₄ ≈ 100 GeV에서, m_h=500 GeV일 때 m_ν₄ ≈ 150 GeV에서 최대값을 도출하기 위해.
• ν₄ → μW 붕괴의 분해비율을 Br(ν₄ → μW) ≈ 0.68로 추정하고, ν₄ → τW 붕괴의 분해비율을 Br ≈ 0.32로 추정하여 최종 상태로 두 개의 뮤온과 네 개의 제트를 유도하기 위해.
• 분해비율 비율과 루미노미티 스케일링을 사용하여 '실버' 모드(μμjjjj)의 신호 수확량을 '황금' 모드(ℓℓℓℓ)와 비교하기 위해.
• 한 개의 W 붕괴가 렙톤 채널로 일어나는 연계 채널을 고려하여, 총 신호 수확량을 63% 향상시키기 위해.
• ν₄의 메이저라 성질을 고려하여, 같은 전하의 뮤온과 극도로 낮은 표준모형 배경을 가진 '백금' 모드를 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 h → ν₄ν̄₄ → μWμW 붕괴 체인이 무거운 힉스 보손 발견을 위한 황금 모드의 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ2 300 GeV 및 500 GeV의 힉스 질량에서 실버 모드가 황금 모드 대비 신호 증폭 요인이 얼마인가?
• RQ3 1 fb⁻¹ 루미노미티 조건에서 제4가족 뉴트리노의 존재가 LHC에서 힉스 보손의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 m_h = 300 GeV 및 500 GeV 조건에서 1 fb⁻¹ 루미노미티에서 실버 모드에서 재구성 가능한 힉스 보손과 ν₄ 쌍의 예상 수는 얼마인가?
• RQ5 ν₄의 메이저라 성질이 더 깔끔하고 배경이 억제된 '백금' 발견 채널을 가능하게 하는가?

주요 결과

• m_h = 300 GeV 및 m_ν₄ = 100 GeV 조건에서 실버 모드의 분해비율은 1.22 × 10⁻²이며, 황금 모드의 1.12 × 10⁻³과 비교하여 11배 향상된다.
• m_h = 500 GeV 및 m_ν₄ = 150 GeV 조건에서 실버 모드의 분해비율은 1.88 × 10⁻²에 도달하여 황금 모드 대비 15배 향상된다.
• 한 개의 렙톤 채널 W 붕괴를 포함한 연계 채널을 고려하면 총 신호 수확량이 63% 향상되어, m_h = 500 GeV일 경우 증폭 요인이 24로, m_h = 300 GeV일 경우 18로 증가한다.
• 1 fb⁻¹ 루미노미티 조건에서 m_h = 300 GeV 및 m_ν₄ = 100 GeV 조건에서 약 850개의 힉스 보손과 1,700개의 ν₄ 쌍이 재구성될 것으로 예상된다.
• 메이저라 경우 '백금' 모드가 가능해져 같은 전하의 뮤온을 가지며 표준모형 배경를 극도로 억제할 수 있다.
• 제4가족 쿼크들은 힉스 생성 단면적을 5–8배 향상시켜 신호 강도를 증가시키고 5σ 발견을 위한 필요 루미노미티를 감소시킨다.