[論文レビュー] Further Investigation on Model-Independent Probe of Heavy Neutral Higgs Bosons at the LHC Run 2

Yu-Ping Kuang, H. Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、14 TeV LHC Run 2における$pp \to VH^* \to VVV$過程を用いて、次元6の有効カップリングを介して重い中性ヒッグスボソン（$H$）をモデルに依存しない分析で探査する。$M_H = 400$, 500, 800 GeVの各質量に対して、1σ、3σ、5σの統計的有意水準と有効カップリング定数（$\rho_H f_W/\Lambda^2$, $\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$）の許容範囲との間の定量的関係を確立し、$H$の発見および観測されない場合の異常カップリングの制限や除外限界を実験的に決定する上で、このチャンネルが最適であることを示している。

ABSTRACT

In our previous paper, we provided general effective Higgs interactions for the lightest Higgs boson $h$ (SM-like) and a heavier neutral Higgs boson $H$ based on the effective Lagrangian formulation up to the dim-6 interactions, and then proposed two sensitive processes for probing $H$. We showed in several examples that the resonance peak of $H$ and its dim-6 effective coupling constants (ECC) can be detected at the LHC Run 2 with reasonable integrated luminosity. In this paper, we further perform a more thorough study of the most sensitive process, $pp o VH^\ast o VVV$, on the information about the relations between the $1σ,\,3σ,\,5σ$ statistical significance and the corresponding ranges of the Higgs ECC for an integrated luminosity of 100 fb$^{-1}$. These results have two useful applications in the LHC Run 2: (A) realizing the experimental determination of the ECC in the dim-6 interactions if $H$ is found and, (B) obtaining the theoretical exclusion bounds if $H$ is not found. Some alternative processes sensitive for certain ranges of the ECC are also analyzed.

研究の動機と目的

• 14 TeV LHC Run 2における重い中性ヒッグスボソン（$H$）のモデルに依存しない探査を、次元6のオペレーターまで含む有効場理論を用いて行う。
• 14 TeV LHCにおける$pp \to VH^* \to VVV$過程が、特に$\rho_H f_W/\Lambda^2$および$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$に起因する異常な$HVV$カップリングに対して、$M_H = 400$, 500, 800 GeVの各質量でどれほど感度があるかを特定する。
• 統合した線密度100 fb⁻¹の下で、統計的有意水準（1σ、3σ、5σ）と有効カップリング定数の許容範囲との間の定量的関係を確立する。
• ヒッグスボソン生成の伝統的手法（グルーオン融合（GF）およびベクトルボソン融合（VBF））と比較し、$VH^*$過程の発見可能性および除外感度の観点から評価する。

提案手法

• 次元6のオペレーターまで含む$H$の有効ラグランジアンを定式化し、$V = W, Z$の$HVV$相互作用（次元4および次元6）を含む。
• 混合および新物理効果をパラメータライズするため、有効カップリングパラメータ$\rho_H = g_H^2 v_H / (g^2 v)$、$\rho_H f_W/\Lambda^2$、$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$を定義する。
• 統合線密度100 fb⁻¹の下で、14 TeV LHCにおける$pp \to VH^* \to VVV$過程の詳細なモンテカルロシミュレーションを実施し、統計的有意水準の等高線を計算する。
• ユニタリティ制限（UB）およびRun 1の実験的限界（EB）を用いて、$\rho_H$、$f_W$、$f_{WW}$のパラメータ空間を制約する。
• $H$生成のGFおよびVBF過程と比較し、$VH^*$チャンネルの発見可能性およびカップリング測定感度を評価する。
• 各過程の異常カップリングに対する感度を分析し、発見領域および除外限界を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合線密度100 fb⁻¹の下で、$pp \to VH^* \to VVV$過程が、有効カップリング$\rho_H f_W/\Lambda^2$および$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$をどれほど高い統計的有意水準（1σ、3σ、5σ）で探査できるか？
• RQ2 ユニタリティ制限（UB）およびRun 1の実験的限界（EB）は、$H$の有効カップリングのパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ3 $H$がRun 2で発見された場合、$VH^*$過程は実験的に異常$HVV$カップリングを直接決定する有効な道筋を提供できるか？
• RQ4 GFおよびVBFによるオンシェルヒッグス生成と比較して、$VH^*$の発見可能性は、$H$の質量およびカップリングタイプに応じてどのように異なるか？
• RQ5 $H$がLHC Run 2で観測されなかった場合に、有効カップリングに対して設定できる除外限界は何か？

主な発見

• 14 TeV LHCにおける統合線密度100 fb⁻¹の下で、$pp \to VH^* \to VVV$過程は、異常$HVV$カップリング$\rho_H f_W/\Lambda^2$および$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$を測定する上で、最も感受性が高い。
• $M_H = 400$ GeVの場合、5σの発見領域は、$\rho_H$および$C_t$に依存して、$|\rho_H f_W/\Lambda^2| \sim 0.005$ GeV⁻²および$|\rho_H f_{WW}/\Lambda^2| \sim 0.003$ GeV⁻²にまで及び、その範囲が広がる。
• $H$が発見された場合、$VH^*$過程により$\rho_H f_W/\Lambda^2$および$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$を直接実験的に決定でき、新たな高エネルギー基準を用いて、妥当な新物理モデルを区別する手がかりが得られる。
• $VH^*$過程から導かれる有効カップリングの除外限界は、GFおよびVBFよりも顕著に強く、特に$M_H = 800$ GeVの場合に顕著である。
• オンシェルヒッグス生成のGFおよびVBF過程は、異常カップリングに対して感受性が低く、特にType-I-AおよびType-IIモデルでは、パrameter空間の狭い領域でのみ発見可能性を示す。
• $H$の異常カップリングの発見および高精度測定の両面で、$VH^*$チャンネルはGFおよびVBFを上回り、Run 2における重い中性ヒッグスボソンを探査する上で最適なプロセスである。