[论文解读] Boosted Higgs-pair production associated with large $E_T^{miss}$: a signal of $Z^\prime$

Chuan Ren Chen, Yu Xiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文提出在高亮度LHC（HL-LHC）上通过 $pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi$ 模式搜索 $Z^\prime$ 玻色子，其中 $Z^\prime$ 衰变为希格斯玻色子和暗物质粒子 $\chi$，产生两个希格斯玻色子（通过 $2\gamma 2b$ 衰变）和大量缺失横向动量的信号。利用喷流亚结构技术识别强子化希格斯喷流，研究表明在 $\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 的亮度下，质量约为 $500\,\text{GeV}$ 的 $Z^\prime$ 玻色子可实现超过 5$\sigma$ 的显著性发现。

ABSTRACT

Non-resonant production of Higgs-pair via heavy intermediate states may be a distinctive signature for extended discrete symmetries when accompaied by large missing transvers energy. We discuss $T$-parity as an example of such symmetry within the Littlest Higgs Model, where a new heavy gauge boson $Z'$, the $T$-odd partner of SM $Z$-boson, predominately decays into to a Higgs boson and a dark matter candidate $χ$. In essence, $T$-parity stablises simultaneously both the Higgs mass and the dark matter. Production via $pp ightarrow Z' Z' ightarrow 2h 2χ$ may therefore yield important clues about symmetries connecting the Higgs and dark sectors. This paper makes a case for the search for this channel at the LHC by studying its discovery potential. It is demonstrated that in situations where a large $Z'-χ$ mass gap results in a boosted topology, the jet-substructure technique can be leveraged to reach the required significance for discovery in the $2h ightarrow 2\gamma2b$ decay mode.

研究动机与目标

• 研究在高亮度LHC上，通过 $T$-奇对称的最小希格斯模型（Littlest Higgs Model with $T$-parity）探索 $Z^\prime$ 玻色子的发现潜力。
• 探索 $pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi$ 的对撞信号，其中 $h$ 为希格斯玻色子，$\chi$ 为暗物质候选粒子，产生大量 $E_T^{\text{miss}}$ 和强子化希格斯喷流。
• 证明在 $2h \to 2\gamma 2b$ 衰变模式下，利用喷流亚结构技术识别强子化希格斯玻色子的可行性。
• 评估信号相对于标准模型（SM）背景的显著性，并确定实现发现所需的亮度。

提出的方法

• 采用最小希格斯模型与 $T$-奇对称性作为基准模型，其中 $Z^\prime$ 为标准模型 $Z$-玻色子的 $T$-奇伙伴，且仅衰变为 $h\chi$。
• 使用 BDRS 喷流亚结构算法重建并识别来自 $h \to \gamma\gamma$ 和 $h \to b\bar{b}$ 衰变的强子化希格斯喷流。
• 应用一系列运动学筛选以抑制标准模型背景，包括 $N_\gamma \geq 2$，$N_{\text{fatjet}} \geq 1$，$N_\ell \leq 0$，$E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$，以及 $|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$。
• 施加额外筛选条件：希格斯对的不变质量 ($m_{hh} > 252\,\text{GeV}$)，$p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$，以及 $b$-标签，以提升信号纯度。
• 利用蒙特卡罗模拟在 $\sqrt{s} = 14\,\text{TeV}$ 条件下，$\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 亮度下计算信号截面与统计显著性。
• 假设 $Z^\prime \to h\chi$ 的分支比为 $100\%$，并研究 $m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$ 时的发现可达性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高亮度LHC上，通过 $2h + E_T^{\text{miss}}$ 信号，能否发现最小希格斯模型中具有 $T$-奇对称性的 $Z^\prime$ 玻色子？
• RQ2 喷流亚结构技术在强子化希格斯拓扑中能在多大程度上提升信号显著性？
• RQ3 在此通道中，为实现 $5\sigma$ 发现，需要多大的亮度来探测质量约为 $500\,\text{GeV}$ 的 $Z^\prime$？
• RQ4 运动学筛选在抑制标准模型背景的同时，对保留信号事例的效率如何？
• RQ5 在此模型中，$Z^\prime$ 质量高达 $2\,\text{TeV}$ 时的发现潜力如何？

主要发现

• 在 $\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$ 亮度下，质量为 $500\,\text{GeV}$ 的 $Z^\prime$ 玻色子可在 $2h \to 2\gamma 2b$ 衰变模式中实现超过 $5\sigma$ 的显著性发现。
• 经过所有筛选后，$m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$ 时的信号截面降低至 $1.20 \times 10^3\,\text{fb}$，背景抑制后显著性为 $3.17 \times 10^{-2}$。
• $E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$ 和 $|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$ 筛选对抑制背景同时保留信号最为有效。
• $b$-标签与 $p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$ 筛选进一步抑制背景，使最终阶段的截面降至 $1.20 \times 10^3\,\text{fb}$。
• 对于 $m_{Z^\prime} = 1000\,\text{GeV}$，最终信号截面为 $3.56 \times 10^1\,\text{fb}$，表明虽具显著发现潜力但挑战较大。
• 本研究证实，大量 $E_T^{\text{miss}}$ 与喷流亚结构技术的结合，为具有 $T$-奇对称性的模型中 $Z^\prime$ 的可行发现通道提供了支持。