[論文レビュー] Discovering extra Higgs boson via pair production of the SM-like Higgs bosons

Jia Liu, Xiao-Ping Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける標準模型に類似したヒッグス粒子（H）の共鳴的対生成を通じて余剰なヒッグス粒子（S）を発見する手法を提案している。Sは重いスカラー共振状態を介してHHに主要に崩壊する。√s = 14 TeVで1000 fb⁻¹の統合された全光度を用いた研究では、特にレプトンや光子を含むチャネルにおいて、優れた信号対背景比（>100）が得られた。一方、bb̄bb̄モードはその大きな分岐比にもかかわらず、QCD背景の影響で検出が困難である。

ABSTRACT

In the standard model (SM), pair production rate of Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) is quite low. One usually think that it is extremely important for the measurement of triple Higgs coupling at the high luminosity LHC. In this paper, we propose to search for the extra Higgs boson (denoted as $S$) utilizing pair production of the SM-like Higgs boson ($H$) which was discovered in July, 2012.The pair production of $H$ can be huge due to the resonant production of heavy scalar $S$, namely $PP ightarrow S ightarrow HH$. The couplings of $H$ with weak gauge boson are similar to ones in the SM and it implies that the couplings between $S$ and gauge bosons are likely suppressed. Provided that $S$ is heavy enough, the decay into weak gauge bosons may not be the dominant modes. Instead $S$ can decay into a pair of $H$ and offer the promising channel to discover it. In this paper, we studied the 5 promising decay modes of $H$, i.e. $b\bar{b}$, $WW^*$, $ZZ^*$, $γγ$ and $τ^+τ^-$, and simulated the signals and backgrounds for the 15 combination modes for $HH$ at the LHC with $\sqrt{s}= 14$ TeV and integrated luminosity $\mathcal{L}=1000fb^{-1}$. We found that with the help of suitable selection rules, very good signal to background ratio $S/B$ can be archived in many decay channels, for example $b\bar b+ (WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$, $WW^*+(WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$ and $τ^+τ^- +(γγ, τ^+τ^-)$. For the detailed results please refer to Table ef{tab:discovery} in the text. On the contrary, $b\bar b b\bar b$ mode is less important due to the huge QCD background. However if one has excellent control on light jet mis-tagging, the $b\bar b b\bar b$ mode can be promising to discover the extra Higgs boson due to its the largest branching ratio compared to other modes.

研究の動機と目的

• S → HH崩壊を介した共鳴的生成を用いることで、LHCにおける余剰ヒッグス粒子（S）の新たな発見チャネルを探索すること。
• ヒッグス粒子崩壊のさまざまな最終状態におけるSの発見可能性を評価すること、特に高い信号対背景比を示すものに注目。
• QCDおよび電弱背景が、特に高全光度LHCランの文脈において、異なる崩壊チャネルの組み合わせに与える影響を評価すること。
• 現実的な実験的選択ルールと背景抑制技術を適用した場合に、Sを検出するための最適な崩壊チャネルを同定すること。

提案手法

• Madgraph 5を用いて、S → HH生成およびその後のヒッグス崩壊のパートンレベル過程をシミュレートし、15通りの崩壊チャネルの組み合わせに焦点を当てる。
• インvariant質量再構成（HおよびSの）を含む運動量的選択ルールを適用し、信号対背景比を向上させる。
• √s = 14 TeVで1000 fb⁻¹の全光度を用いて、異なる崩壊モードにおける信号および背景イベント数の推定を行う。
• 特にQCD誘導プロセスおよび誤って特定されたジェット（例：軽クォークジェットがbジェットや光子を模倣する現象）による背景寄与を評価。
• MadgraphにおけるpTカットを実装し、イベント生成の効率を向上させ、計算コストを低減。
• 異なる崩壊モード間で信号統計とS/B比を比較し、高い発見可能性を示すチャネルを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S → HH崩壊を介した共鳴的生成は、LHCにおける余剰ヒッグス粒子の発見に実用的なチャネルを提供できるか？
• RQ2 bb̄, WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻などのヒッグス崩壊モードの組み合わせの中で、Sの検出に最も高い信号対背景比を示すのはどれか？
• RQ3 QCDおよび電弱背景は、特にマルチレプトンおよび二光子チャネルにおいて、Sの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 レプトンタギングやインヴァリアント質量再構成などの背景抑制技術を用いることで、発見可能性はどの程度向上するか？
• RQ5 分岐比の高いモード（例：bb̄bb̄）と、まれだがクリアなモード（例：γγγγ）において、Sの期待イベント数とS/B比はそれぞれどの程度か？

主な発見

• 信号対背景比（S/B）は、b̄b̄ + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻)、WW* + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻)、τ⁺τ⁻ + (γγ, τ⁺τ⁻) などの複数の崩壊チャネルで100を超えることが確認され、強力な発見可能性を示している。
• bb̄bb̄最終状態は、圧倒的なQCD背景の影響を受けるため、最大の分岐比にもかかわらず、発見可能性が著しく低下している。
• γγγγおよびZZ*ZZ*最終状態はそれぞれ約35および約9イベントの低統計にとどまり、信号イベント数が限られているため、発見には不適切である。
• 一方のヒッグスがτ⁺τ⁻またはWW*に崩壊し、他方がレプトン性または二光子モードに崩壊するチャネルでは、数百の信号イベントが得られ、S/B比が100以上を示している。
• τ⁺τ⁻ + τ⁺τ⁻最終状態では約70件の信号イベントが得られ、6レプトン最終状態の高純度ゆえに非常にクリアで、強力な発見可能性を示している。
• ジェット誤認識背景が存在しても、τ⁺τ⁻ベースのチャネルではS/B比が100以上を維持しており、こうした背景に対して頑健であることが示された。