[논문 리뷰] The Hunt for the Rest of the Higgs Bosons

Nathaniel Craig, Francesco D’Eramo외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 64인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 추가 힉스 보손을 발견하기 위한 LHC 탐색 채널 세 가지를 규명한다: (1) 무거운 스칼라 또는 페시요스칼라가 토프 쿼크로 붕괴하는 생성, (2) 무거운 힉스 보손이 $b\bar{b}$ 또는 비가시성 붕괴를 동반한 연관 생성, (3) 전하를 가진 힉스 보손이 $\bar{t}b$로 붕괴하는 $t\bar{b}$ 연관 생성. 이러한 채널들은 특히 125 GeV 힉스 보손이 표준모형 힉스 보손과 유사한 정렬 한계 조건에서 발생하는 확장된 힉스 보손 구조에서 단일 생성 모드를 체계적으로 커버한다.

ABSTRACT

We assess the current state of searches at the LHC for additional Higgs bosons in light of both direct limits and indirect bounds coming from coupling measurements of the Standard Model-like Higgs boson. Given current constraints, we identify and study three LHC searches that are critical components of a comprehensive program to investigate extended electroweak symmetry breaking sectors: production of a heavy scalar or pseudoscalar with decay to $t \bar t$; $b \bar b$ and $t \bar t$ associated production of a heavy scalar or pseudoscalar with decay to invisible final states; and $t \bar b$ associated production of a charged Higgs with decay to $\bar t b$. Systematic experimental searches in these channels would contribute to robust coverage of the possible single production modes of additional heavy Higgs bosons.

연구 동기 및 목표

• 확장된 전자약 대칭 깨짐 보존에서 추가 힉스 보손을 탐색하기 위한 가장 민감하고 종합적인 LHC 탐색 채널을 규명하기 위해.
• 현재의 탐색에서 표준모형 보손이나 쿼크로의 결합이 억제된 힉스 보손을 놓치는 격차를 해결하기 위해, 특히 정렬 한계 조건에서의 상황을 다루기 위해.
• 향후 LHC 런 2 탐색을 위해 무거운 힉스 상태의 단일 생성 모드를 체계적으로 커버하는 서명을 우선순위에 두기 위해.
• 125 GeV 힉스 보손의 결합 측정치를 활용하여 새로운 힉스 상태의 탐색 전략을 제약하고 안내하기 위해.
• 실수 2HDM 및 실수 단일 상태 확장 모델과 같은 모델에서 새로운 힉스 보손이 표준 탐색 모드를 피할 수 있는 매개변수 공간을 체계적으로 커버하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 쿼크 및 보손 최종 상태를 가진 추가 힉스 상태의 단일 상태에 초점을 맞춘 단순화된 모델을 사용하여 잠재적 힉스 탐색 서명을 분류한다.
• 125 GeV 힉스 보손이 거의 표준모형 유사인 정렬 한계 조건을 이론적 안내로 사용하여 추가 힉스 보손의 결합을 제약한다.
• 실수 단일 상태 또는 2HDM 모델에서처럼 표준모형 보손으로의 결합이 억제된 가정 하에 무거운 힉스 보손의 생성 및 붕괴 모드를 분석한다.
• 세 가지 핵심 LHC 탐색 채널에 집중한다: $pp \to H/A \to t\bar{t}$, $pp \to H/A \to b\bar{b} + \text{비가시성}$, $pp \to H^\pm \to t\bar{b}$로, 이는 서로 다른 결합 구조에 민감하다.
• 중성미온의 운동량을 질량-셸 조건 및 $m_W$와 $m_t$의 온셸 조건을 사용하여 뉘앙스를 구하는 데 사용되는 운동역학 재구성 기법을 적용한다.
• 모든 가능한 $W$ 및 $b$-제트 조합에 대해 $\chi^2$ 최소화 전략을 적용하여 최상의 토프 쿼크 재구성 조합을 선택하며, 불확실성으로 $\sigma_h = 50$ GeV 및 $\sigma_\ell = 25$ GeV를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 보손으로의 결합이 억제된 경우, 추가 힉스 보손을 발견하기 위해 어떤 LHC 탐색 채널이 가장 효과적인가?
• RQ2 125 GeV 힉스 보손의 결합 측정치는 특히 정렬 한계 조건에서 확장된 힉스 보존의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 정렬 한계 조건 하에서 2HDM 및 실수 단일 상태 확장 모델과 같은 모델에서 추가 힉스 보손의 주요 생성 및 붕괴 모드는 무엇인가?
• RQ4 결합 운동역학 재구성 기법은 비가시 운동량을 가진 사건에서 토프 쿼크 및 $W$ 보손 붕괴에 대한 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 표준 탐색 모드를 피할 수 있는 억제되거나 비가시 붕괴로 인해 탈락하는 힉스 보손을 보장하기 위해 LHC 탐색에서 어떤 체계적 개선이 필요한가?

주요 결과

• $pp \to H/A \to t\bar{t}$ 채널은 $W$ 및 $Z$ 보손으로의 결합이 억제된 경우에도 토프 쿼크로의 상당한 결합을 가진 무거운 힉스 보손에 대한 핵심 탐색 수단이다.
• $pp \to H/A \to b\bar{b} + \text{비가시성}$ 채널은 특히 실수 단일 상태 또는 확장된 스칼라 보존을 포함한 모델에서 비가시 최종 상태로 붕괴하는 힉스 보손에 대해 강력한 감도를 제공한다.
• $pp \to H^\pm \to t\bar{b}$ 채널은 2HDM와 같은 모델에서 이러한 붕괴가 운동역학적으로 가능하고 잠재적으로 지배적인 경우 전하를 가진 힉스 보손을 발견하는 데 필수적이다.
• $W$ 질량-셸 조건 및 $m_t$ 온셸 조건을 사용한 토프 쿼크의 운동역학 재구성은 높은 효율성을 달성하며, 재구성된 토프 쿼크의 85% 이상에서 나머지 프레임에서 $\delta p/E < 0.15$의 편차를 보인다.
• 중성미온의 운동량에 대해 실수 해가 없는 경우, 비가시 운동량에 약 1% 정도의 작은 보정만으로도 물리적 해를 복원할 수 있으며, 이는 재구성 편향을 최소화한다.
• $\chi^2$ 기반 재구성 방법은 올바른 토프 쿼크 조합을 효과적으로 선택하며, 최적의 해는 진짜 토프 쿼크 질량 173.2 GeV에서의 편차를 최소화한다.