[논문 리뷰] What if bb does not dominate the decay of the Higgs-like boson?

Jiwei Ke, Hui Luo외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 126 GeV의 힉스-유사 보손이 표준모형 예측과는 달리 $b\bar{b}$로 주로 붕괴되지 않고, 오히려 매우 억제된 $b\bar{b}$ 붕괴, 略감소된 $\tau^+\tau^-$ 붕괴, 그리고 중간 정도로 증가된 게이지 보손 붕괴를 겪는 상황을 조사한다. 이는 비탈리한 MSSM 힉스 보손($H$)이 더 가벼운 힉스($h$)로 붕괴하는 $H \to hh$를 통해 설명될 수 있으며, 이 경우 $G_{Hhh}$ 결합 상수가 매우 작아야 하므로 매우 정밀하게 캘리브레이션된 매개변수 영역이 필요하다.

ABSTRACT

The dominant decay mode of standard model Higgs at 126 GeV $b\bar{b}$ suffers from severe SM background at the LHC even in associated productions $Wh_{ m SM}$ or $Z h_{ m SM}$. The precision measurement of BR($ϕ o b\bar{b})$ requires more data to reduce its large error bar. We investigate the possibility of this channel with largest uncertainty not dominating the decay of Higgs-like boson discovered at the LHC. In such scenarios, the Higgs signal shows highly suppressed $b\bar{b}$, slightly reduced $τ^{+}τ^{-}$ and moderately enhanced gauge bosons comparing with the SM predictions. The model requires two different sources of electroweak symmetry breaking and radiative correction to $m_{b}$ strongly enhanced. However, large reduction in $b\bar{b}$ usually results large enhancement in $τ^{+}τ^{-}$ mode in particular. The reduction of $τ^{+}τ^{-}$ therefore implies that a new decay mode is inevitable. We find that a non-decoupling MSSM Higgs decay into lighter Higgs $H o hh$ may fit the signature. Here, MSSM $H$ is identified as the 126 GeV resonance while $h$ is below $M_{H}/2$ and can evade the direct search bound at LEPII and Tevatron. Large $PQ$ and $R$ symmetry breaking effects mediated by strong interaction can strongly enhance radiative corrections in $m_b$. However, the scenario can only be realized in highly fine-tuned parameter region where $G_{Hhh}$ is tiny. Nevertheless, we discuss the discovery potential of this highly fine-tuned $H o hh$ at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 126 GeV의 힉스-유사 보손의 $b\bar{b}$ 붕괴 모드가 표준모형 예측과는 다르게 크게 억제될 수 있는지 조사하기.
• 관측된 비정상 현상인 억제된 $b\bar{b}$, 略감소된 $\tau^+\tau^-$, 증가된 $WW^*$/$ZZ^*$ 붕괴를 동시에 설명할 수 있는 타당한 새로운 물리 모델을 규명하기.
• 더 가벼운 힉스($h$)로 붕괴되는 새로운 붕괴 채널인 $H \to hh$의 가능성 탐색을 통해 $b\bar{b}$와 $\tau^+\tau^-$ 붕괴율 감소를 설명하기.
• 14 TeV LHC에서 통합 루미너스리티가 100 fb⁻¹를 초과할 경우 이러한 시나리오의 발견 가능성을 평가하기.
• 반사(corrective) 보정과 두 가지 다른 전자약 대칭 붕괴 기여원인의 역할을 분석하여 바텀 쿼크 요크하우프 상수의 억제를 설명하기.

제안 방법

• 저자들은 7 TeV 및 8 TeV LHC 런에서 ATLAS와 CMS의 데이터를 분석하여, $R = \sigma_{\text{obs}}/\sigma_{\text{SM}}$의 중심값을 사용해 매우 억제된 $b\bar{b}$ 붕괴 시나리오를 모델링한다.
• 특히 $\tau$-b 질량 비율을 고려한 표준모형 힉스 결합에 대한 이론적 제약 조건을 적용하여, $b\bar{b}$ 붕괴 폭의 큰 감소는 $\tau^+\tau^-$ 붕괴의 과도한 증가를 방지하기 위해 새로운 붕괴 모드가 필요하다는 점을 유추한다.
• 126 GeV의 공명이 무거운 CP-홀드 힉스 $H$로 식별되고, 더 가벼운 힉스 보손 $h$ 두 개로 붕괴되는 비탈리한 MSSM 힉스 섹터를 가정한다. 이 경우 $m_h < M_H/2$이다.
• 강한 QCD 효과에 의해 큰 $PQ$ 및 $R$ 대칭 붕괴에 의해 바텀 쿼크 질량에 대한 반사 보정이 강화되어, $b\bar{b}$ 결합의 억제가 가능해진다.
• 이론적 일관성을 확보하기 위해 $G_{Hhh}$ 결합 상수를 핵심 매개변수로 하여 붕괴 비율과 부분 붕괴 폭, 즉 $\Gamma(H \to hh)$, $\Gamma(H \to b\bar{b})$, $\Gamma(H \to WW^*)$를 계산한다.
• 14 TeV LHC에서의 연관 생성 신호율을 추정하기 위해 $WH$ 및 $ZH$ 생성의 단면적과 붕괴 비율을 사용하며, 궁극적인 최종 상태의 비율은 운동학적 요건과 태깅 효율을 포함하여 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 외의 새로운 물리가 $b\bar{b}$ 붕괴 모드의 현저한 억제를 설명할 수 있는가? 이 경우 다른 실험 제약 조건을 위반하지는 않는가?
• RQ2 $b\bar{b}$ 붕괴가 강하게 억제될 경우 $\tau^+\tau^-$ 붕괴율에 어떤 영향을 미치며, 관측된 데이터와 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 억제된 $b\bar{b}$, 略감소된 $\tau^+\tau^-$, 증가된 $WW^*$/$ZZ^*$ 붕괴를 동시에 설명할 수 있는 타당한 모델이 존재하는가?
• RQ4 비탈리한 MSSM에서의 $H \to hh$ 붕괴 모드가 관측된 비정상 현상을 설명할 수 있는가? 이 경우 필요한 정밀조정 조건은 무엇인가?
• RQ5 14 TeV LHC에서 $>3\sigma$의 신뢰도로 이러한 $H \to hh$ 신호를 발견하기 위해 필요한 루미너스리티와 에너지 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 시나리오에서 $b\bar{b}$ 붕괴 모드는 매우 억제되어 있으며, $H \to hh \to b\bar{b}b\bar{b}$의 경우 붕괴 비율이 약 28.9%로 감소한다. 이는 표준모형의 $h_{\text{SM}} \to b\bar{b}$의 약 85.8%에 비해 현저히 낮다.
• $\tau^+\tau^-$ 붕괴율은 약간 감소하여 $H \to hh \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$의 경우 붕괴 비율이 4.6%로 나타나 ATLAS에서 관측된 $R \approx 0.7$과 일치한다.
• 14 TeV LHC에서의 연관 생성 단면적은 $\sigma(pp \to WH) = 1.59~\text{pb}$ 및 $\sigma(pp \to ZH) = 0.94~\text{pb}$이며, $gg \to H$의 글루온 융합 단면적은 $56.31~\text{pb}$이다.
• 두 개의 하드론적 타우를 포함하는 동일한 전하의 이레프톤 최종 상태에 대해, 절단 조건 없이 신호율이 약 $42.6~\text{fb}$로 추정되어 100 fb⁻¹에서의 발견 가능성을 시사한다.
• 이 모델은 매우 정밀하게 캘리브레이션된 매개변수 영역이 필요하며, $G_{Hhh}$ 결합 상수가 매우 작아야 하므로 자연성 기준에 따라 이 시나리오는 불가능성이 높다.
• $H \to hh$ 신호의 발견을 위해서는 14 TeV LHC에서 $100~\text{fb}^{-1}$ 이상의 데이터가 필요하며, 이는 표준모형 배경에서 $>3\sigma$의 이격을 확보하기 위함이다.